El hidrógeno puede considerarse una forma de almacenamiento de energía susceptible de emplearse para generar electricidad a través de una pila de combustible que alimente, por ejemplo, el motor de un vehículo eléctrico. Se denomina 'verde' cuando se produce a partir de fuentes de energía renovable, como la solar o la eólica.
Para obtenerlo, se recurre a la electrolisis, un proceso químico que descompone el agua en sus componentes básicos, hidrógeno y oxígeno, pero que, además de energía renovable, precisa de grandes cantidades de agua. En concreto, cada kilogramo de hidrógeno que se crea precisa de nueve litros de agua. Una proporción muy importante teniendo en cuenta que el agua es un bien escaso y necesario para la vida en la tierra.
Por esta razón, las tecnologías que permiten realizar este mismo proceso a partir del agua del mar constituyen un importante campo de investigación. Sin embargo, crear hidrógeno verde a partir del agua del mar es significativamente más difícil que usar agua dulce. La corrosión, las impurezas y los microorganismos complican el proceso. Además, se necesita ubicaciones en la costa y cercanas a los centros de generación de renovable.
Actualmente, hay varias investigaciones abiertas que trabajan en técnicas de electrólisis para generar hidrógeno verde a partir del agua dulce.
Una tecnología muy cara
Los electrolizadores de membrana de intercambio de protones (PEM) pueden dividir el agua en hidrógeno y oxígeno de manera muy eficiente casi a temperatura ambiente. Su demanda energética es muy reducida, lo que los convierte en una opción ideal para producir hidrógeno limpio utilizando fuentes renovables intermitentes, como son la solar y la eólica.
El electrolizador funciona con catalizadores separados para cada uno de sus electrodos (cátodo y ánodo). El catalizador del cátodo produce hidrógeno, mientras que el del ánodo forma el oxígeno. Sin embargo, este segundo catalizador necesita iridio, un material que tiene un precio en el mercado de alrededor de 5.000 dólares cada 28 gramos. Su escasez y alto coste representan una barrera en el uso de electrolizadores PEM.
El catalizador de Argonne
Y aquí es donde entra en juego esta nueva investigación. El Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE.UU ha desarrollado un catalizador que emplea cobalto, lo que podría eliminar el principal cuello de botella para producir hidrógeno limpio en un electrolizador, explica Di-Jia Liu, químico senior en Argonne, en la revista Science, en la que ha sido publicada la investigación y también a través de un comunicado de prensa.
El cobalto es sustancialmente más barato que el iridio. Giner Inc., una firma que comercializa electrolizadores y celdas de combustible, evaluó el nuevo catalizador usando sus estaciones de prueba de electrolizadores PEM en condiciones de operación industrial. El rendimiento y la durabilidad superaron con creces los de los catalizadores de la competencia.
El equipo descifró los cambios estructurales críticos que se producen en el catalizador en condiciones de funcionamiento mediante el uso de análisis de rayos X en la Fuente Avanzada de Fotones (APS) en Argonne. También identificaron características clave del catalizador, utilizando microscopía electrónica en Sandia Labs y en el Centro de Materiales a Nanoescala (CNM) de Argonne.
"Tomamos imágenes de la estructura atómica en la superficie del nuevo catalizador en varias etapas de preparación", dijo Jianguo Wen, científico de Materiales de Argonne. Además, el modelado computacional en Berkeley Lab reveló información importante sobre la durabilidad del catalizador en condiciones de reacción.
El precio objetivo del hidrógeno verde
Además de su uso para producir electricidad en vehículos eléctricos, el hidrógeno puede utilizarse en múltiples sectores industriales. La reducción de su coste de producción podría remodelar la economía de EE.UU y del resto del mundo. La iniciativa Earthshot del DOE tiene el ambicioso objetivo de rebajar el coste de la producción de hidrógeno verde a un dólar por kilogramo en una década.
"En términos más generales, nuestros resultados establecen un camino prometedor para reemplazar los catalizadores hechos de metales preciosos caros con elementos que son mucho menos costosos y más abundantes", señaló Liu.