Un equipo de investigadores optimizó el proceso de obtención de hidrógeno verde, mediante el uso de celdas de electrólisis microbiana, durante el proceso de tratamiento de las aguas residuales.
Este descubrimiento abre las puertas para reducir los costos de la producción de hidrógeno verde, con lo cuál este combustible dejaría de ser un sueño y volverse una realidad.
El informe “The Future of Hydrogen” publicado por la International Energy Agency (IEA) en el año 2019, concluye que es tiempo de escalar las tecnologías y reducir los costos para que el hidrógeno verde sea ampliamente usado.
En este artículo queremos contarte sobre el hidrógeno verde y el potencial que tiene para cambiar el panorama energético mundial; quizás en pocos años tendrás que recargar tu coche eléctrico con energía producida por gas hidrógeno.
Asimismo, describimos una innovación tecnológica que permitirá aprovechar el tratamiento de las aguas residuales para la producción de gas hidrógeno de una forma más económica.
¿Qué es el hidrógeno verde?
El gas hidrógeno es el elemento químico más abundante en el planeta, y es muy apreciado debido a que tiene más energía que la gasolina.
La capacidad de producir gas hidrógeno es valiosa debido a que puede venderse a la industria química y del plástico, o para su uso en las celdas de combustible de hidrógeno para el almacenamiento de energía o los coches eléctricos (carros eléctricos).
Es importante destacar que el mercado de los combustibles clasifica el hidrógeno, en función de su “valor sostenible”, en cuatro tipos:
a) Hidrógeno negro: Producido a partir de la gasificación del carbón. El proceso genera grandes cantidades de dióxido de carbono.
b) Hidrógeno gris: Su generación aún requiere de combustibles fósiles. Producido a partir del metano o gas natural. Es el más utilizado en la industria química o en las refinerías de petróleo, poco respetuoso con el medio ambiente.
b) Hidrógeno azul: También denominado hidrógeno bajo en carbono, sigue requiriendo de combustibles fósiles, pero emite menos carbono debido a que se aplican tecnologías para capturar el carbono liberado.
c) Hidrógeno verde: Se considera la opción más ecológica debido a que se produce mediante la electrólisis del agua utilizando energías renovables. Es la menos común en el mercado.
¿Cómo producir hidrógeno verde?
El hidrógeno verde, también denominado hidrógeno renovable o e-Hydrogen, se obtiene de un proceso químico conocido como electrólisis.
Bruce et al (2018) destaca que la electrólisis provee una opción modular que puede escalar de acuerdo a la demanda; ellos indican que las tecnologías maduras incluyen la membrana de polímero electrolítico (PEM) y electrólisis alcalina (AE).
La electrólisis utiliza la corriente eléctrica para separar el hidrógeno del oxígeno que hay en el agua; sin embargo, es mucho más costoso de producir.
Es importante destacar que si la electricidad que se usa para la electrólisis proviene de fuentes renovables (solar, eólica, etc), se puede considerar como hidrógeno verde (Deign, 2020).
Comparado a los procesos de producción establecidos, la electrólisis es muy cara.
Aunque todo esto suena prometedor, no se ha desarrollado a escala industrial, debido a que los materiales del ánodo, que se utilizan en la reacción para descomponer los contaminantes orgánicos, están hechos de grafito o carbono, y cuestan varios cientos de dólares por metro cuadrado, y producen bajas tasas de hidrógeno.
Mercado y Costos de producir el gas hidrógeno verde
Según Bruce et al (2018) se estima que la demanda potencial de hidrógeno importado en China, Japón, Corea del Sur y Singapur podría alcanzar los US$ 9.5 mil millones para el año 2030; mientras que Goldman Sachs destaca que el hidrógeno verde podría suministrar el 25% de las necesidades energéticas del mundo y convertirse en un mercado de US$ 10 trillones.
Los principales países que lideran la producción de hidrógeno verde, y cuentan con políticas y estrategias nacionales para fomentar su consumo, son Australia, Países Bajos, Alemania, China, Arabia Saudita y Chile (Smink, 2021).
Es importante destacar que la mayor parte de iniciativas de hidrógeno verde se encuentran en Europa.
Glenk y Reichelstein (2019) encontraron que en el entorno actual de Alemania y Texas (EE.UU) el hidrógeno verde (producido con energías alternativas) ya tiene un costo competitivo en aplicaciones nicho (€3.23/kg), aunque aún no se suministra a escala industrial; sin embargo, ellos proyectan que podría alcanzar €2.50/kg en una década si las tendencias del mercado se mantienen.
Por su parte, Christopher (2021) reporta que la estrategía hidrógeno de julio 2020 de la European Commission indica que el costo del hidrógeno verde se encuentra entre US$ 3.0 y 6.55/kg; mientras que el costo del hidrógeno basado en combustibles fósiles tiene un costo de US$1.80/kg y el hidrógeno azul se encuentra en torno a los US$2.40/kg.
¿Cómo se puede utilizar el hidrógeno verde?
El gas hidrógeno se puede utilizar de dos formas generales: (i) quemarse para producir calor, o (ii) alimentar una celda de combustible para producir energía.
De acuerdo con Bruce et al (2018) las aplicaciones potenciales del hidrógeno son:
a) Celdas de combustible de hidrógeno para coches y camiones eléctricos
b) Buques portacontenedores propulsados por amoníaco líquido elaborado de hidrógeno
c) Refinerías de “acero verde” que queman hidrógeno como fuente de calor en lugar de carbón
d) Turbinas de electricidad impulsadas por gas hidrógeno que pueden generar electricidad en los momentos de máxima demanda
e) Como sustituto del gas natural para cocinar y calentar los hogares.
Tratamiento de aguas residuales y producción de hidrógeno verde
El tratamiento de las aguas residuales es vital para remover los patógenos y proteger el medio ambiente; sin embargo, tiene su propio costo ambiental, debido a que consume mucha energía y utiliza alrededor del 3% de la energía del Reino Unido, el equivalente a 13 mil millones de kilovatios hora.
La capacidad de aprovechar las aguas residuales de una manera más sostenible es un desafío que los investigadores de WMG, de la University of Warwick, han logrado, usando mallas de fibras de carbono recicladas para producir hidrógeno.
La empresa de agua y tratamiento de residuos Severn Trent planteó a los investigadores de WMG, de la University of Warwick, el desafío de encontrar una forma más eficiente de tratar las aguas residuales, desde el punto de vista energético; y el equipo se basó con éxito en la investigación de las Celdas de Electrólisis Microbiana (Microbial Electrolysis Cells).
Celdas de Electrólisis Microbiana
Las Celdas de Electrólisis Microbiana (Microbial Electrolysis Cells – MEC) es una nueva y emergente tecnología para la producción de biohidrógeno (hidrógeno verde) de diferentes fuentes de aguas residuales (Rivera et al, 2019).
De acuerdo con Zhao y Ci (2019) la tecnología MEC genera hidrógeno mediante el empleo de microorganismos, que juegan un rol importante en la catálisis impulsada por las bacterias que transfieren electrones del sustrato a la superficie de un electrodo.
Las Celdas de Electrólisis Microbiana implican el uso del campo electromagnético de los microorganismos para descomponer los contaminantes orgánicos en las aguas residuales, produciendo agua limpia y gas hidrógeno.
El Desafío: ánodos más baratos
El Dr. Stuart Coles y su equipo asumieron el desafío de refinar la técnica mediante la búsqueda de materiales de ánodos y métodos de procesamiento, e identificaron con éxito a las mallas de fibras de carbono recicladas como un ánodo alternativo, que cuesta solo £2 por metro cuadrado, lo que lo vuelve significativamente más barato que los materiales de ánodos existentes.
Después de probar las mallas de fibras de carbono en aguas residuales, los investigadores encontraron que las bacterias se desarrollaron en el ánodo de fibra de carbono reciclado, que tenía una mejor tolerancia a la temperatura y producía más hidrógeno que los materiales usados anteriormente.
Luego, los investigadores decidieron poner a prueba sus técnicas en Minworth, el sitio de tratamiento de desechos de Severn Trent, donde procesaron con éxito hasta 100 litros de aguas residuales por día, lograron eliminar el 51% de los contaminantes orgánicos y hasta el 100% de los sólidos suspendidos en el agua mientras producían 18 veces más hidrógeno (100% de pureza) que el material de grafito.
“Estamos muy entusiasmados con esta tecnología. Al eliminar los residuos de los sectores automotriz y aeroespacial, hemos desarrollado una solución circular para un problema de larga data. En lugar de simplemente tratar las aguas residuales, ahora podemos extraer valor de ellas en forma de hidrógeno a un costo bastante bajo”, dijo el Dr. Stuart Coles, de WMG.
Optimizar diseño de celdas de electrólisis microbiana
“El próximo paso de este trabajo consiste en optimizar el diseño de las celdas de electrólisis microbiana y reducir aún más el nivel de contaminantes en el agua. ¡Esto, a su vez, debería ayudar a producir aún más hidrógeno!”.
Por su parte, Bob Stear, ingeniero jefe en Severn Trent, agregó: “El aumento del rendimiento y los ahorros de costos demostrados a partir de esta investigación significa que la tecnología de celdas de electrólisis microbiana está un paso más cerca de ser competitiva en costos con los activos de tratamiento de aguas residuales existentes”.
“WMG también ha demostrado que esta tecnología tiene el potencial de crear un proceso de tratamiento de aguas residuales más circular, que será esencial para cumplir con nuestro objetivos de sostenibilidad a largo plazo y planes Net Zero. Actualmente estamos evaluando escalar la tecnología a nuestra planta de pruebas en Redditch”, finalizó.
Conclusión
El gas hidrógeno verde probablemente se convierta en la principal fuente energética para el año 2050. Algunos países, principalmente europeos, vienen implementando políticas y estrategias para fomentar su producción y uso. En este sentido, las innovaciones tecnológicas son importantes para optimizar su producción.
Por otro lado, el tratamiento de aguas residuales proporciona la infraestructura necesaria para obtener hidrógeno mediante el uso de celdas de electrólisis microbiana.
Referencias
Bruce S, Temminghoff M, Hayward J, Schmidt E, Munnings C, Palfreyman D, Hartley P (2018) National Hydrogen Roadmap. CSIRO, Australia. 116 p.
Christopher T. 2021. Experts explain why green hydrogen costs have fallen and will keep falling. S&P Global.
Deign J. 2020. So, What Exactly Is Green Hydrogen? GreenTech Media.
Glenk, G., Reichelstein, S. Economics of converting renewable power to hydrogen. Nat Energy 4, 216–222 (2019). https://doi.org/10.1038/s41560-019-0326-1
International Energy Agency. 2019. The Future of Hydrogen: Seizing today´s opportunities. Report prepared by the IEA for the G20, Japan. 203 p.
Rivera I., Uwe Schröder, Sunil A. Patil. Chapter 5.8 – Microbial Electrolysis for Biohydrogen Production: Technical Aspects and Scale-Up Experiences, Editor(s): S. Venkata Mohan, Sunita Varjani, Ashok Pandey, In Biomass, Biofuels and Biochemicals, Microbial Electrochemical Technology, Elsevier, 2019, Pages 871-898, ISBN 9780444640529, https://doi.org/10.1016/B978-0-444-64052-9.00036-4.
Smink V. 2021. Hidrógeno verde: 6 países que lideran la producción de una de las «energías del futuro» (y cuál es el único latinoamericano). BBC News Mundo.
Zhao Wenxiang , Suqin Ci. 2019. 7 – Nanomaterials As Electrode Materials of Microbial Electrolysis Cells for Hydrogen Generation. Editor(s): Xubiao Luo, Fang Deng, In Micro and Nano Technologies, Nanomaterials for the Removal of Pollutants and Resource Reutilization, Elsevier. Pages 213-242, ISBN 9780128148372,
https://doi.org/10.1016/B978-0-12-814837-2.00007-X.
