Un dispositivo, en contacto con el aire y expuesto a la luz del sol que empieza a producir combustible sin ningún coste. Esa es la idea básica que subyace a la investigación llevada a cabo por el Instituto Holandés de Investigación Energética Fundamental (DIFFER), en colaboración con Toyota Motor Europe (TME). El objetivo de dicha alianza es desarrollar un dispositivo que absorba el vapor de agua y lo separe directamente en hidrógeno y oxígeno usando la energía del sol.
En este proyecto, DIFFER y TME exploran una forma innovadora de producir hidrógeno directamente a partir de aire húmedo. Esta investigación tiene dos objetivos distintos. Por un lado, se necesitan nuevos combustibles sostenibles para disminuir nuestra dependencia de los combustibles fósiles y, por otro, es necesario reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Uno de esos combustibles sostenibles es el hidrógeno, que se puede utilizar para almacenar energía renovable. Cuando el hidrógeno se combina con oxígeno en una pila de combustible, la energía se libera en forma de electricidad, emitiendo como único residuo vapor de agua.
Imagen del prototipo de dispositivo en el que trabajan Toyota y el DIFFER.
En su búsqueda respectiva de soluciones, la división de Investigación Avanzada de Materiales de TME se ha unido al grupo de Procesos Catalíticos y Electroquímicos para Aplicaciones Energéticas de DIFFER, encabezado por Mihalis Tsampas. Este grupo había estado trabajando en un método para separar el agua en estado gaseoso en lugar de en estado líquido, que es mucho más común. "Trabajar con gas en lugar de con líquido tiene varias ventajas", explica Tsampas.
"Los líquidos presentan ciertos problemas técnicos, como la formación no deseada de burbujas. Además, al utilizar agua en estado gaseoso y no en estado líquido, no necesitamos instalaciones costosas para purificar el agua. Y, por último, puesto que solo utilizamos el agua presente en el aire que nos rodea, nuestra tecnologías también es aplicable a lugares remotos donde no hay agua disponible".
Principio demostrado
A lo largo del pasado año, DIFFER y TME han demostrado en un estudio conjunto de viabilidad que el principio planteado realmente se cumple. Los investigadores han desarrollado una nueva célula fotoelectroquímica de estado sólido que por primera vez puede obtener agua del aire y luego generar hidrógeno a partir de la iluminación con luz solar. Este primer prototipo alcanzó un impresionante 70% del rendimiento que se obtiene al llenar un dispositivo equivalente con agua. El sistema consta de unas membranas de electrolitos poliméricos, unos fotoelectrodos porosos y unos materiales que absorben el agua, combinados en un dispositivo de diseño especial integrado en la membrana.
El enfoque de Toyota
"Además de desarrollar la primera berlina del mundo a base de hidrógeno fabricada en serie, Toyota contribuye activamente a buscar formas de producir hidrógeno sin recurrir a combustibles fósiles", ha declarado Isotta Cerri, directora general de Investigación avanzada de materiales. "Esto encaja con los retos del Desafío Medioambiental de Toyota 2050, que aspira a eliminar las emisiones de dióxido de carbono durante todo el ciclo de vida de nuestros vehículos. La producción de hidrógeno a partir de fuentes de energía renovables ayuda sustancialmente a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Con este tipo de investigación fundamental, trabajamos con el objetivo de conseguir una sociedad basada en el hidrógeno mediante el desarrollo de aplicaciones del hidrógeno asequibles y fáciles de usar, tanto para nuestras operaciones como para los clientes".
Mejoras y ampliación de la escala
En la siguiente fase del proyecto, los colaboradores se proponen mejorar considerablemente el proceso. "En nuestro primer prototipo, utilizamos fotoelectrodos que se sabe que son muy estables. Sin embargo, el material empleado solo absorbe la luz ultravioleta, que supone menos del cinco por ciento de toda la luz solar que llega a la Tierra", explica Tsampas, quien añade: "El siguiente paso, por tanto, es aplicar materiales de vanguardia y optimizar la estructura del sistema para incrementar tanto la entrada de agua como la cantidad de luz solar que se absorbe".
Una vez superado ese obstáculo, las labores de investigación se centrarán en ampliar la escala de la tecnología. Las células fotoelectroquímicas capaces de producir hidrógeno son muy pequeñas, alrededor de un centímetro cuadrado. Para que sean económicamente viables, su tamaño debe aumentar en al menos dos o tres órdenes de magnitud. "Aún no estamos en ese nivel, pero esperamos que algún día ese tipo de sistemas se puedan llegar a utilizar como fuente de energía en las viviendas particulares o en el repostaje de los vehículos para realizar desplazamientos cotidianos", pronostica Tsampas.
