Investigadores de Keele convierten residuos alimentarios en hidrógeno verde y materiales para plásticos sostenibles con un nuevo electrolizador.
- ⚡ Hidrógeno verde y materias primas químicas en un mismo proceso.
- 🍎 Moléculas procedentes de residuos alimentarios como materia prima.
- 🧪 Producción de precursores para plásticos más sostenibles.
- 🔋 Menor demanda eléctrica frente a la electrólisis convencional.
- 🧩 Diseño sin la costosa membrana utilizada en muchos electrolizadores.
- ♻️ Valorización simultánea de residuos y electricidad renovable.
- 🏭 Proceso demostrado a velocidades de reacción de interés industrial.
- 🌍 Alternativa potencial a determinadas materias primas petroquímicas.
Un electrolizador que hace algo más que separar agua
Los electrolizadores convencionales utilizan electricidad para desencadenar reacciones electroquímicas que permiten obtener hidrógeno a partir del agua. Cuando la electricidad procede de fuentes renovables, el resultado puede considerarse hidrógeno renovable siempre que se cumplan los criterios correspondientes.
El problema es que fabricar hidrógeno de esta manera continúa siendo relativamente caro.
La situación ha mejorado, pero el mercado todavía está lejos de haber completado su transformación. La producción mundial de hidrógeno rozó los 100 millones de toneladas en 2024, mientras que las tecnologías de bajas emisiones representaron menos del 1 % del total.
Buena parte del hidrógeno continúa obteniéndose a partir de gas natural y carbón. De ahí que mejorar la economía de la electrólisis tenga consecuencias mucho más amplias que fabricar un combustible limpio: afecta directamente a industrias como fertilizantes, refino, química, acero o combustibles sintéticos.
El equipo de Keele ha abordado el problema modificando una pieza fundamental del proceso: la reacción que tiene lugar junto a la producción de hidrógeno.
Sustituir la producción de oxígeno por una reacción útil
En la electrólisis convencional del agua aparecen dos productos principales: hidrógeno y oxígeno.
El oxígeno tiene un valor económico limitado en muchas instalaciones. Además, mantener separados ambos gases es esencial por cuestiones de seguridad y funcionamiento. Muchos sistemas recurren para ello a membranas especializadas, componentes que pueden incrementar el coste del equipo y plantear problemas relacionados con estabilidad, degradación y vida útil.
El electrolizador desarrollado por Charlie Creissen y Lewis Cousins adopta otra estrategia.
En lugar de generar oxígeno, utiliza moléculas procedentes de biomasa derivada de residuos alimentarios y las somete a una transformación electroquímica. Así, mientras un electrodo participa en la generación de hidrógeno, el otro produce compuestos químicos de mayor valor añadido.
Ese cambio parece pequeño sobre el papel. No lo es.
Permite eliminar la necesidad de la membrana empleada para impedir la mezcla entre hidrógeno y oxígeno y, según los investigadores, trabajar con menores requerimientos eléctricos, manteniendo al mismo tiempo velocidades de reacción compatibles con procesos de interés industrial.
De residuo alimentario a materia prima química
Uno de los aspectos más interesantes del trabajo está en el origen del carbono utilizado.
La industria química moderna depende enormemente de moléculas obtenidas del petróleo y del gas. Están detrás de plásticos, disolventes, recubrimientos, adhesivos, fibras y una enorme variedad de productos cotidianos.
El sistema investigado en Keele plantea otra ruta: emplear moléculas derivadas de biomasa y residuos alimentarios como punto de partida para fabricar determinados bloques químicos.
No significa que restos de comida entren directamente en el electrolizador tal y como salen de una cocina. Existe una cadena previa de tratamiento y obtención de los compuestos adecuados. Este detalle será importante a la hora de valorar la viabilidad ambiental y económica del proceso completo.
La idea encaja con una tendencia creciente dentro de la química sostenible: dejar de considerar la biomasa residual únicamente como combustible o material para compostaje y buscar aplicaciones capaces de conservar una mayor parte de su valor químico.
Una molécula orgánica compleja puede resultar demasiado valiosa para limitarse a quemarla.
Dos productos pueden cambiar la economía del hidrógeno
Aquí aparece una de las claves económicas del estudio.
En un electrolizador convencional, prácticamente todo el esfuerzo económico se justifica por el hidrógeno obtenido. En un sistema de electrólisis acoplada, pueden aparecer dos corrientes comercialmente aprovechables: hidrógeno por un lado y productos químicos por otro.
Esto abre la posibilidad de repartir los costes de electricidad, equipamiento y operación entre productos diferentes.
Es una aproximación conocida en investigación como valorización electroquímica o electrólisis acoplada y está despertando interés precisamente por ese motivo. La cuestión deja de ser únicamente cuánto cuesta producir un kilogramo de hidrógeno. También importa qué se fabrica simultáneamente y cuánto vale.
Para determinados procesos industriales, esa diferencia podría ser decisiva.
El ahorro eléctrico puede ser incluso más importante que el precio del electrolizador
La electricidad representa uno de los grandes condicionantes económicos de la electrólisis.
Como referencia tecnológica, la Agencia Internacional de la Energía ha utilizado valores cercanos a 50 kWh de electricidad por kilogramo de hidrógeno para sistemas convencionales de electrólisis de agua, incluyendo determinadas necesidades auxiliares.
Por eso reducir el voltaje necesario para impulsar las reacciones electroquímicas resulta tan atractivo. Incluso mejoras aparentemente modestas pueden acumular un ahorro considerable cuando una instalación funciona miles de horas al año.
El planteamiento de Keele aprovecha precisamente una reacción alternativa a la evolución de oxígeno, que puede resultar energéticamente más favorable.
Pero queda una pregunta fundamental: cuánto ahorro se mantiene cuando el sistema pasa del laboratorio a electrolizadores mucho mayores.
Bombas, separación de productos, purificación, preparación de materias primas, electrónica de potencia y compresión del hidrógeno también consumen energía. La eficiencia relevante para una futura fábrica tendrá que medirse considerando todo el proceso, no únicamente la celda electroquímica.
Menos membranas, menos complejidad
Eliminar una membrana aporta otra ventaja potencial.
Las membranas utilizadas en algunos electrolizadores deben soportar ambientes químicos exigentes durante periodos prolongados. Su rendimiento, durabilidad, coste y sustitución influyen en el coste final del hidrógeno.
Un diseño capaz de funcionar correctamente sin ellas podría simplificar parte del sistema y reducir determinados costes de fabricación y mantenimiento.
Aunque tampoco conviene sacar conclusiones demasiado pronto.
Prescindir de una membrana obliga a demostrar que el dispositivo mantiene una buena selectividad de los productos, que el hidrógeno obtenido alcanza la pureza requerida y que no aparecen reacciones secundarias problemáticas cuando aumenta la escala.
En electroquímica industrial, funcionar unas horas en laboratorio y operar miles de horas al año son mundos distintos.
El hidrógeno verde todavía tiene un enorme problema de escala
El contexto energético ayuda a entender por qué investigaciones de este tipo reciben tanta atención.
Pese al enorme número de proyectos anunciados durante los últimos años, el hidrógeno de bajas emisiones continúa representando una fracción muy pequeña del mercado mundial.
La Agencia Internacional de la Energía calcula que la demanda mundial alcanzó casi 100 millones de toneladas en 2024. La inmensa mayoría continuó abasteciéndose mediante combustibles fósiles.
La producción renovable y de bajas emisiones crece, aunque más despacio de lo esperado. Los costes elevados, la incertidumbre sobre quién comprará el hidrógeno, la infraestructura insuficiente y las dificultades regulatorias han retrasado numerosos proyectos.
Por eso existe interés en tecnologías capaces de cambiar la ecuación económica en lugar de limitarse a mejorar unos pocos puntos porcentuales la eficiencia.
Fabricar simultáneamente un segundo producto valioso puede ser una de esas vías.
Europa empieza a exigir algo más que llamar «verde» al hidrógeno
La innovación también llega en un momento de endurecimiento de las reglas.
La Unión Europea ya dispone de criterios específicos para determinar cuándo el hidrógeno producido con electricidad puede contabilizarse como combustible renovable de origen no biológico. Entre otras cuestiones, el marco europeo presta atención al origen de la electricidad y a las emisiones asociadas al ciclo de vida.
Esto tiene una consecuencia importante para tecnologías como la desarrollada en Keele.
No bastará con conectar un electrolizador a la red y denominar verde al hidrógeno obtenido. La procedencia de la electricidad, las emisiones del proceso y la trazabilidad energética serán cada vez más importantes para determinar su verdadero impacto climático.
Un sistema de menor consumo eléctrico tendría aquí una ventaja adicional: necesitaría menos generación renovable por unidad de producto, siempre que el balance energético completo confirme los resultados obtenidos a escala experimental.
Una posible pieza para las futuras biorrefinerías
El concepto resulta especialmente sugerente cuando se observa más allá del electrolizador individual.
Una futura instalación podría combinar plantas de tratamiento de residuos orgánicos, producción de moléculas derivadas de biomasa, electricidad solar o eólica y procesos electroquímicos.
El resultado se parecería más a una biorrefinería electrificada que a una planta convencional de hidrógeno.
En lugar de introducir petróleo y obtener diferentes productos petroquímicos, una parte del carbono podría proceder de residuos biogénicos mientras la energía necesaria llegaría de fuentes renovables.
Ese modelo permitiría conectar sectores que actualmente funcionan de manera bastante independiente: gestión de residuos, generación renovable, hidrógeno y fabricación química.
Ahí puede estar una de las aplicaciones más interesantes de la investigación.
Qué impacto puede tener en el medio ambiente
El beneficio ambiental potencial aparece en varios frentes, aunque dependerá de cómo termine escalándose la tecnología.
Primero, podría reducir el consumo eléctrico asociado a determinadas rutas de producción de hidrógeno. Eso permitiría obtener más producto con una cantidad determinada de electricidad renovable y aliviaría parte de la enorme necesidad de nueva capacidad eólica y solar asociada a una futura economía del hidrógeno.
Segundo, proporciona una vía para valorizar residuos orgánicos. Convertir carbono biogénico residual en productos químicos duraderos puede resultar ambientalmente más interesante que destinarlo directamente a usos de menor valor.
Tercero, determinados precursores obtenidos mediante esta tecnología podrían desplazar moléculas petroquímicas utilizadas en la fabricación de plásticos.
Sin embargo, que una materia prima proceda de biomasa no convierte automáticamente al plástico resultante en biodegradable, reciclable o climáticamente neutro. Son cuestiones diferentes. Su impacto dependerá de la composición final, la vida útil, las posibilidades de reciclaje y el destino al final de su utilización.
También habrá que estudiar el consumo de agua, los reactivos empleados, la purificación de productos, la procedencia exacta de los residuos y las emisiones generadas durante todo el ciclo de vida.
La ventaja ambiental deberá demostrarse desde el residuo original hasta el producto terminado.
Una tecnología prometedora que todavía tiene que superar la prueba industrial
Los investigadores han conseguido operar el sistema a velocidades de reacción relevantes para aplicaciones industriales, un paso importante frente a experimentos electroquímicos que únicamente funcionan con cantidades diminutas de material.
Aun así, quedan varios obstáculos antes de imaginar grandes plantas comerciales.
Será necesario demostrar estabilidad durante periodos prolongados, mantener el rendimiento con materias primas menos purificadas, reducir la degradación de los electrodos, recuperar eficientemente los productos químicos y comprobar que la eliminación de la membrana continúa siendo ventajosa al aumentar la superficie del electrolizador.
También habrá que estudiar la economía del suministro de residuos.
Una instalación industrial necesita alimentación constante y relativamente homogénea. Los residuos alimentarios, por definición, pueden presentar composiciones variables, humedad elevada y contaminantes. Convertir esa corriente heterogénea en una materia prima electroquímica estable tendrá un coste.
Ese paso previo podría determinar buena parte de la competitividad real del sistema.
Vía Keele University
Más información: Membrane-Free Electrolysis for Low-Voltage Production of 2,5-Furandicarboxylic Acid
Karl dice
Totalmente excelente