jueves 26/5/22
Energía limpia y escalable

La ingeniera leonesa que consigue producir hidrógeno limpio

La ingeniera química de Coladilla Irene Yuste Tirados es una de las investigadoras del proyecto de producción de hidrógeno con un nuevo material y tecnología de membranas cerámicas, que es además escalable industrialmente y no genera emisiones
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Irene Yuste Tirados, con el sistema de cerámica de protones que han desarrollado con un material novedoso, de vitrocerámica y partículas de metal. CMS

Generar hidrógeno en cantidades suficientes para su utilización como combustible de vehículos y para la industria, a partir de electricidad y otros combustibles, con una pérdida de energía casi nula y capaz además de capturar los gases contaminantes que produce. Es el logro de un equipo de investigadores de la empresa noruega CoorsTek Membrane Sciences, en colaboración con un grupo de científicos a nivel internacional. Un trabajo de gran trascendencia en los avances en las energías limpias en el que tiene un papel protagonista la ingeniera leonesa Irene Yuste Tirados, y que ha sido publicado por la prestigiosa revista Science.

La aportación de Yuste se centra en el desarrollo de las membranas cerámicas de protones, que por primera vez con esta investigación se muestran capaces de producir energía limpia a escala práctica. Para eso se ha desarrollado un nuevo material, a partir de vitrocerámica y partículas de metal, que suma las características necesarias para conformar una plataforma de producción de hidrógeno de forma flexible, y que además evita emitir carbono a la atmósfera.

Un desarrollo que la comunidad científica internacional califica de «prometedor» para avanzar en la ambición de utilizar hidrógeno como combustible de vehículos, entre otras cadenas de valor de energía limpia.

Irene Yuste es ingeniera química por la Universidad de Valladolid, donde realizó un master científico en esta materia y se especializó en diseño de reactores, tecnología ambiental, separación de procesos y gestión de proyectos. Nacida en la localidad leonesa de Coladilla, trabaja desde hace siete años en la empresa noruega Coorstek Membrane Sciences como ingeniería química. Allí compagina su trabajo con la investigación, y realiza su tesis en Electroquímica en la Universidad de Oslo, en la que investiga la durabilidad de las células cerámicas de protones.

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El sistema se crea a través de pequeñas celdas que se unen en pilar. CMS

En el trabajo que ahora se presenta la ingeniera leonesa ha sido la principal encargada de todos los modelos tecnoeconómicos, del análisis de emisiones, la eficacia y la comparación con el mercado y otras tecnologías. «En esa parte participé como ingeniera en la empresa, pero también el trabajo tiene una contribución de mis investigaciones en el doctorado. He realizado y ayudado en muchos de los experimentos que se han llevado a cabo para evaluar las propiedades de las membranas en condiciones reales de operación».

La investigación

La revista científica internacional Science destaca que la investigación realizada ha demostrado la escalabilidad de la producción de hidrógeno a partir de biogás, anomíaco y gas natural. El equipo de la empresa noruega ha trabajado en colaboración con varios socios internacionales, y «ha utilizado con éxito la tecnología de membranas cerámicas para desarrollar un generador de hidrógeno escalable que produce hidrógeno a partir de electricidad y combustibles, con una pérdida de energía casi nula».

Yuste hace hincapié en que «la eficiencia energética es la clave del futuro del hidrógeno como combustible limpio». La coautora del trabajo explica que «nuestra investigación demuestra que las membranas protónicas pueden generar hidrógeno a partir de amoníaco, gas natural y biogás de manera tan eficiente que los automóviles con celdas de combustible de hidrógeno tendrán una huella de carbono más baja que los automóviles eléctricos cargados desde la red eléctrica».

Coorstek ha desarrollado un novedoso material a partir de vitrocerámica y partículas de metal

La ingeniera química señala que las membranas cerámicas de protones «son convertidores de energía electroquímica, como las baterías y las pilas de combustible. Funcionan dividiendo moléculas que contienen hidrógeno, como agua o metano; y luego rompiendo aún más los átomos de hidrógeno en protones y electrones».

Los protones se transportan a través de la sólida membrana cerámica mientras que los electrones se transportan por separado a través de un conductor metálico conectado a una fuente de alimentación. «Cuando los protones y los electrones se recombinan en el otro lado de la membrana cerámica, se produce hidrógeno puro como gas comprimido», explica Yuste.

«Cuando la energía se transforma de una forma a otra, hay pérdida de energía», explica por su parte José Serra, profesor del Instituto de Tecnología Química de España y coautor del articulo que ha publicado Science. «Con nuestras membranas de cerámica de protones, podemos combinar pasos distintos de producción de hidrógeno convencional a partir de combustibles como el gas natural y el amoníaco en una sola etapa, donde el calor para la producción catalítica de hidrógeno es suministrado por la separación electroquímica de gases. El resultado es un proceso térmicamente equilibrado que produce hidrógeno con una pérdida de energía casi nula».

Un largo proceso

Las membranas cerámicas de protones se han estado desarrollando en universidades y laboratorios corporativos durante tres décadas, con miles de científicos contribuyendo a mejoras incrementales. «La noticia de hoy es que, por primera vez, la tecnología de membranas cerámicas de protones se ha demostrado a escalas prácticas para producir hidrógeno para automóviles con celdas de combustible y otras implementaciones de energía limpia», señalan los investigadores.

La clave del reciente avance en la investigación es un material novedoso desarrollado por CoorsTek Membrane Sciences a partir de vitrocerámica y partículas de metal, que se unen en un compuesto que puede tomar la forma de un vidrio durante la fabricación, tiene la robustez a alta temperatura de una cerámica, y la conductividad electrónica de un metal.

«Nuestra tecnología de membranas cerámicas se construye a partir de pequeñas celdas que se unen en pilas y luego se combinan en módulos más grandes», dice Per Vestre, director general de CoorsTek Membrane Sciences. «La naturaleza modular de esta tecnología hace posible comenzar con pequeños generadores de hidrógeno y escalar a lo grande agregando nuevos módulos a medida que aumenta la demanda de hidrógeno».

Con la capacidad de funcionar con gas natural, biogás o amoníaco, las membranas cerámicas de protones ofrecen una plataforma de producción de hidrógeno con combustible flexible. Y cuando los hidrocarburos se utilizan como combustible, las membranas entregan directamente el subproducto CO2 como una corriente concentrada que se puede licuar fácilmente para un transporte rentable para su uso o almacenamiento, de modo que no se libere carbono a la atmósfera.

Una alternativa

El caso es que esta producción a escala a través de reactores electroquímicos cerámicos de protones es una alternativa al transporte directo de hidrógeno producido a gran escala para aplicaciones como el reformado con vapor para aplicaciones como el abastecimiento de combustible para vehículos. En todo caso, explican los investigadores,, el hidrógeno producido debe separarse del dióxido de carbono o nitrógeno coproducidos.

«Los reactores electroquímicos cerámicos de protones pueden extraer hidrógeno puro de mezclas de gases mediante el bombeo electrolítico de protones a través de la membrana». Uno de los grandes problemas hasta ahora era que este proceso provocaba caídas de eficiencia. El diseño de la interconexión compuesta por vitrocerámica a base de níquel permitió diseñar una ruta de reactor más compleja.

«Los reactores cerámicos de protones ofrecen una extracción eficiente de hidrógeno a partir de amoníaco, metano y biogás, mediante el acoplamiento de reacciones de reformado endotérmico con el calor de la separación y compresión electroquímica de gases. Preservar esta eficiencia enl a ampliación de la celda al nivel de la pila plantea desafíos para la distribución de los flujos de calor y gas, y la corriente eléctrica a través de un diseño funcional sólido».

El trabajo desarrollado demuestra que una pila de reactores bien balanceada habilitada por una nueva interconexión logra la conversión completa de metano con más del 99% de recuperación en hidrógeno presurizado, y deja una corriente concentrada de dióxido de carbono. «También se logró un rendimiento de celda comparable con amoníaco».

El equipo internacional de investigadores ha conseguido así desarrollar un nuevo sistema para obtener hidrógeno de forma más sostenible y eficiente energéticamente. El avance ha sido combinar 36 membranas cerámicas individuales en un generador que es escalable industrialmente, y que puede producir hidrógeno a partir de electricidad y otros materiales, con una pérdida de energía casi nula. Es la primera vez que se demuestra que esta tecnología puede obtener hidrógeno de forma industrial.

Aunque el hidrógeno es el elemento químico más abundante en el planeta, no está disponible como tal, y es necesario obtenerlo de otros elementos.

La ingeniera leonesa que consigue producir hidrógeno limpio
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