Necesitamos materiales sostenibles para producir hidrógeno verde

A medida que avanzamos hacia la descarbonización global, el hidrógeno verde ha emergido como un vector energético (sistema de almacenamiento químico de energía) prometedor para reducir las emisiones.

Producido a partir de diferentes fuentes de energía renovables con cero emisiones directas, ha logrado llamar la atención de los gobiernos y las industrias que buscan reducir su huella de carbono.

¿Qué es el hidrógeno verde?

Recibe este nombre el gas de hidrógeno producido a partir de fuentes de energía renovables, principalmente a través del proceso de electrólisis del agua. Este proceso consiste en la división de moléculas de agua (H₂O) en hidrógeno (H₂) y oxígeno (O₂) utilizando electricidad generada por fuentes renovables. De esta manera, no produce emisiones de carbono durante su generación.

La electricidad necesaria para el proceso de electrólisis debe provenir de fuentes que garanticen cero emisiones de carbono. Las energías eólica, solar e hidroeléctrica son las opciones más comunes. Además, empresas como Water2Kw ofrecen tecnologías patentadas como H2umidity, un sistema de producción de hidrógeno verde modular y escalable que utiliza el hidrógeno generado para, a través de una pila de combustible, producir electricidad que alimenta el propio sistema.

En la fase de electrólisis, el agua entra en un dispositivo llamado electrolizador, que contiene dos electrodos. La electricidad aplicada divide las moléculas de agua en sus dos componentes: hidrógeno en el cátodo y oxígeno en el ánodo.

Existen varios tipos de electrolizadores, como son el electrolizador alcalino, el de óxido sólido, el de membrana de intercambio aniónico (AEM) y el de membrana de electrolito polimérico (PEM), este último empleado en la tecnología H2umidity.

En el momento del almacenamiento, el hidrógeno obtenido es recolectado y almacenado o directamente transportado para su uso inmediato. Se puede comprimir en tanques durante mucho tiempo, lo que refleja su capacidad como sistema de almacenamiento de altos volúmenes de energía. El oxígeno producido normalmente se libera a la atmósfera o es utilizado para otras aplicaciones, como puede ser en el área médica.

A la hora de generar electricidad, necesitamos una pila de combustible, donde el hidrógeno, al entrar en contacto con un catalizador en el ánodo, se divide en protones y electrones. Los electrones fluyen a través de un circuito externo creando electricidad, mientras que los protones atraviesan una membrana hacia el cátodo, donde se combinan con oxígeno para formar agua como único subproducto.

Retos en los materiales empleados

Actualmente, los electrolizadores utilizan elementos como el platino o el iridio. Clasificados como metales preciosos, su proceso de extracción y transporte incluye un considerable impacto ambiental, tanto por sus escasas reservas como por su localización exclusiva en pocos puntos del planeta.

Además, su extracción puede provocar la degradación de suelos, la contaminación de agua y diversas afectaciones en la biodiversidad.

Para abordar este desafío, nuevos esfuerzos se centran en materiales alternativos que no dependan de metales preciosos. Científicos y empresas tecnológicas están explorando catalizadores de bajo coste y de fácil producción, como los derivados del carbono o materiales sintéticos producidos a partir de procesos verdes.

En los últimos años, los materiales magnéticos han emergido como una alternativa: además de ser aplicables como tintas en los electrodos de los electrolizadores, sus propiedades magnéticas pueden aportar beneficios significativos en términos de eficiencia.

En la misma línea, el proyecto H2umidity-PLUS plantea diversificar los materiales que conforman el electrolizador hacia otros más verdes. Financiado por el Instituto para Diversificación y el Ahorro de la Energía (IDAE) y liderado por Water2kW, en él participan el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), el Instituto de Ciencia y Tecnología del Carbono (INCAR-CSIC), la Universidad Politécnica de Madrid y la empresa Graphenea.

El problema del agua

Otro desafío significativo en la producción del hidrógeno verde se encuentra en el consumo de agua, materia prima para el proceso de electrólisis. Para producir una tonelada de hidrógeno verde, se requieren aproximadamente nueve toneladas de agua pura.

En un mundo donde la escasez de agua es una preocupación creciente, surge un dilema para la expansión de esta tecnología.

En respuesta a esto, algunas alternativas se enfocan en el uso de agua de mar o de aguas residuales domésticas e industriales para suministrar a los electrolizadores. Una apuesta interesante es la de Water2Kw: su tecnología H2umidity permite generar agua aprovechando la humedad ambiental.

Estas alternativas pueden ayudar a reducir la competición entre el suministro de agua potable para la población y el consumo de agua para la producción de hidrógeno.

El futuro del hidrógeno verde

Para que este gas se convierta en una opción económicamente viable y altamente utilizada con un mínimo impacto ambiental, es necesaria la inclusión de materiales más sostenibles y la optimización de fuentes de agua.

Adicionalmente, políticas de apoyo, como incentivos fiscales e inversiones en infraestructura e investigación, jugarán un papel crucial para lograr una adopción masiva de esta tecnología.

Conforme nos dirigimos hacia un futuro descarbonizado, el hidrógeno verde emerge como una poderosa y versátil solución capaz de transformar la industria, el transporte y la generación de energía, apoyado de otras fuentes renovables.

Artículo de Alvaro Gallo Cordova, Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y María del Puerto Morales Herrero, Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC).