El almacenamiento de hidrógeno es caro e ineficiente. En una planta piloto en el campus Hönggerberg de la ETH de Zúrich, los investigadores de la ETH están demostrando cómo esto podría cambiar pronto.
El hierro como medio de almacenamiento económico de hidrógeno
Investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (ETH) dirigidos por Wendelin Stark, catedrático de Materiales Funcionales del Departamento de Química y Biociencias Aplicadas, han desarrollado una nueva tecnología para el almacenamiento estacional de hidrógeno que es mucho más segura y económica que las soluciones existentes. Los investigadores utilizan una tecnología conocida y el cuarto elemento más abundante en la Tierra: el hierro.
Almacenamiento de productos químicos
Para almacenar mejor el hidrógeno, Stark y su equipo recurren al proceso de planchado a vapor, que se conoce desde el siglo XIX. Si en los meses de verano hay un excedente de energía solar, se puede utilizar para dividir el agua y producir hidrógeno. A continuación, este hidrógeno se introduce en un reactor de acero inoxidable lleno de mineral de hierro natural a 400ºC. Allí, el hidrógeno extrae el oxígeno del mineral de hierro (que en términos químicos es simplemente óxido de hierro) y da como resultado hierro elemental y agua.
“Este proceso químico es similar a cargar una batería. Esto significa que la energía del hidrógeno se puede almacenar en forma de hierro y agua durante largos periodos sin apenas pérdidas”, explica Stark. Cuando se necesita de nuevo la energía en invierno, los investigadores invierten el proceso: introducen vapor caliente en el reactor para convertir el hierro y el agua de nuevo en óxido de hierro e hidrógeno. El hidrógeno se puede convertir entonces en electricidad o calor en una turbina de gas o una pila de combustible. Para mantener al mínimo la energía necesaria para el proceso de descarga, el vapor se genera utilizando el calor residual de la reacción de descarga.
El mineral de hierro barato se combina con el hidrógeno caro
“La gran ventaja de esta tecnología es que la materia prima, el mineral de hierro, es fácil de conseguir en grandes cantidades y ni siquiera necesita ser procesada antes de introducirla en el reactor”, afirma Stark. Además, los investigadores suponen que podrían construirse grandes instalaciones de almacenamiento de mineral de hierro en todo el mundo sin influir sustancialmente en el precio del mercado mundial del hierro.
El reactor en el que se lleva a cabo la reacción no tiene que cumplir requisitos especiales de seguridad. Está formado por paredes de acero inoxidable de tan solo 6 milímetros de espesor. La reacción se lleva a cabo a presión normal y la capacidad de almacenamiento aumenta con cada ciclo. Una vez lleno de óxido de hierro, el reactor puede reutilizarse para cualquier número de ciclos de almacenamiento sin necesidad de reemplazar su contenido. Otra ventaja de esta tecnología es que los investigadores pueden ampliar fácilmente la capacidad de almacenamiento. Solo es cuestión de construir reactores más grandes y llenarlos con más mineral de hierro. Todas estas ventajas hacen que esta tecnología de almacenamiento sea aproximadamente diez veces más barata que los métodos existentes.
Sin embargo, el uso del hidrógeno también tiene un inconveniente: su producción y conversión son ineficientes en comparación con otras fuentes de energía, ya que hasta el 60 por ciento de su energía se pierde en el proceso. Esto significa que, como medio de almacenamiento, el hidrógeno es más atractivo cuando se dispone de suficiente energía eólica o solar y otras opciones están descartadas. Esto es especialmente así en el caso de los procesos industriales que no se pueden electrificar.
Planta piloto en el campus de Hönggerberg
Los investigadores han demostrado la viabilidad técnica de su tecnología de almacenamiento en una planta piloto en el campus de Hönggerberg. Esta consta de tres reactores de acero inoxidable con una capacidad de 1,4 metros cúbicos, cada uno de los cuales los investigadores han llenado con 2-3 toneladas de mineral de hierro sin tratar disponible en el mercado.
«La planta piloto puede almacenar durante largos periodos de tiempo unos 10 MWh de hidrógeno. Dependiendo de cómo se convierta el hidrógeno en electricidad, se obtendrán entre 4 y 6 megavatios hora de energía«, explica Samuel Heiniger, estudiante de doctorado del grupo de investigación de Stark. Esto corresponde a la demanda eléctrica de entre tres y cinco viviendas unifamiliares suizas en los meses de invierno. En la actualidad, el sistema sigue funcionando con electricidad de la red eléctrica y no con la energía solar generada en el campus de Hönggerberg.
Esto está a punto de cambiar: los investigadores quieren ampliar el sistema para que, en 2026, el campus de la ETH de Hönggerberg pueda cubrir una quinta parte de su demanda de electricidad en invierno con la energía solar de verano. Para ello, se necesitan reactores con un volumen de 2.000 m3, que podrían almacenar unos 4 GWh de hidrógeno verde. Una vez convertido en electricidad, el hidrógeno almacenado proporcionaría unos 2 GWh de energía.
«Esta planta podría sustituir a un pequeño embalse en los Alpes como instalación de almacenamiento de energía estacional. Para ponerlo en perspectiva, equivale a aproximadamente una décima parte de la capacidad de la central eléctrica de almacenamiento por bombeo de Nate de Drance«, dice Stark. Además, el proceso de descarga generaría 2 GWh de calor, que los investigadores quieren integrar en el sistema de calefacción del campus.
Buena escalabilidad
Pero ¿se podría aprovechar esta tecnología para proporcionar almacenamiento de energía estacional a todo un país? Los investigadores han hecho algunos cálculos iniciales: para proporcionar a Suiza alrededor de 10 TWh de electricidad a partir de sistemas de almacenamiento de hidrógeno estacional cada año en el futuro, lo que ciertamente sería mucho, se necesitarían unos 15-20 TWh de hidrógeno verde y aproximadamente 10.000.000 de metros cúbicos de mineral de hierro.
«Eso es aproximadamente el 2% de lo que Australia, el mayor productor de mineral de hierro, extrae cada año«, dice Stark. A modo de comparación, en sus Perspectivas energéticas 2050+ , la Oficina Federal Suiza de Energía anticipa un consumo total de electricidad de alrededor de 84 TWh en 2050.
Si se construyeran reactores capaces de almacenar aproximadamente 1 GWh de electricidad cada uno, su volumen sería de unos 1.000 m3, lo que requeriría unos 100 metros cuadrados de terreno edificable. Suiza tendría que construir unos 10.000 de estos sistemas de almacenamiento para obtener 10 TWh de electricidad en invierno, lo que corresponde a una superficie de aproximadamente 1 metro cuadrado por habitante.
Vía ethz.ch
Javier Catalan dice
no entiendo cómo se genera el calor residual en el proceso de descarga y como se calienta el vapor en el proceso de carga hasta 400 sin subir mucho la presión?
Lobotomik dice
Suena todo muy poco eficiente: disociar agua con electricidad verde para obtener hidrógeno, convertirlo en agua para reducir hierro, oxidar el hierro con agua para producir hidrógeno, y quemar el hidrógeno para producir electricidad… Muchos pasos con muchas pérdidas.
Si la economía del sistema se basa en que el hidrógeno verde sea superbarato, mejor sería que lo usaran en los altos hornos en lugar del hidrógeno marrón, y ya puestos, en las cementeras, los hornos de cerámicas, etcétera.