Una investigación de la Universidad de Chile ha conseguido mejorar el proceso de fotoelectrólisis para abaratar la producción de hidrógeno superverde
Investigadores de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile (FCFM), liderados por la académica Melanie Colet, trabajan para mejorar el proceso de fotoelectrólisis, un sistema de producción de hidrógeno a partir del agua que usa directamente la energía del sol.
Sulfuros de cobre y de molibdeno son, hasta el momento, algunos de los materiales más promisorios para optimizar esta tecnología que ofrecería mayor eficiencia y menor impacto ambiental que los sistemas de electrólisis convencionales asociados a la producción de hidrógeno verde.
Los avances en investigación e innovación jugarán un rol clave en la industria que Chile quiere desarrollar para convertirse en líder global de hidrógeno verde.
¿Qué es el hidrógeno verde?
El hidrógeno, el primer elemento químico de la tabla periódica, es el componente base del dihidrógeno (H2), una molécula compuesta por dos átomos de hidrógeno que en condiciones normales se presenta como un gas altamente inflamable, el cual puede ser obtenido principalmente de fuentes fósiles o del agua.
Esta propiedad ha motivado que se hable de su potencial como combustible desde hace más de un siglo, algo que no se ha materializado porque su producción resulta aún mucho más costosa que el consumo directo que ofrecen los hidrocarburos.
Actualmente, expertos hablan de tres tipos de hidrógeno: negro (también llamado marrón o gris), azul y verde.
El hidrógeno gris se obtiene a partir de combustibles fósiles. El azul también se obtiene de combustibles fósiles, pero se recupera el abundante carbono emitido a la atmósfera.
Por último, cuando el hidrógeno se genera en base a energías renovables, es decir, mediante la electrólisis del agua con electricidad proveniente de energías renovables, hablamos de hidrógeno verde, que es el foco de interés que hay en Chile y en el mundo para apoyar la descarbonización.
Melanie Colet ha liderado esta investigación sobre nuevos materiales que permitan mejorar la fotoelectrólisis, una tecnología para obtener hidrógeno del agua que utiliza la energía solar de forma directa.
El sistema de celdas fotoelectroquímicas transforma la radiación solar en electricidad a través de ánodos y cátodos fotoactivos. En estos últimos es donde el hidrógeno evoluciona en forma de gas.
Esta especie de hidrógeno super verde no sólo ofrecería una alternativa más amigable con el medio ambiente, también involucraría materias primas de menor costo para el escalamiento industrial.
A diferencia de los sistemas de electrólisis convencionales, vinculados a la producción de hidrógeno verde mediante la electricidad producida por fuentes solares fotovoltaicas o eólicas, “en estas celdas, la conversión de radiación solar en energía eléctrica y la electrólisis ocurren simultáneamente, es decir, reduce el sistema convencional de dos equipos a sólo uno”, señala Melanie Colet, académica que lidera esta investigación.
Esta especie de “hidrógeno super verde” no sólo ofrecería una alternativa más amigable con el medio ambiente, también involucraría menores costos. “Esto se asocia con un menor impacto ambiental en términos de uso de terrenos y requerimiento de materias primas. En principio, los materiales deberían ser menos costosos, ya que las materias primas usadas para producirlos son abundantes y sus procesos de producción no son costosos. Pero el análisis acabado de esto y del impacto ambiental de cada tecnología aún es muy preliminar”, comenta la investigadora.
“Hay grandes avances respecto a materiales para fotoánodos, ya que existen diversos óxidos que presentan buena fotoactividad y estabilidad bajo condiciones de evolución de oxígeno. En el caso de los fotocátodos el desafío es mayor, ya que sobre este electrodo ocurre la evolución de hidrógeno, y en este ambiente reductor los óxidos no muestran estabilidad. Es por eso que se han comenzado a estudiar sulfuros que parecen ser prometedores dados los resultados preliminares”, plantea la académica.
La hematita dopada y óxidos de tungsteno modificados son algunos de los materiales prometedores para el escalamiento de la tecnología en los fotoánodos, afirma Melanie Colet. Sin embargo, advierte que el desafío mayor, junto con mejorar la actividad fotocatalítica de los fotoánodos, es encontrar fotocátodos estables y con buena fotoactividad, donde algunos de los materiales más prometedores hasta el momento son los sulfuros de cobre y de molibdeno.
Esta investigación fue impulsada a partir de un Proyecto Redes de Colaboración Internacional con Imperial College London y la University of Bath, el cual finalizó a mediados de 2019 y ha continuado en el marco de dos tesis de doctorado. Frente a la importancia de seguir avanzando en estos estudios y la importancia que tienen en el marco del desarrollo del hidrógeno en Chile, la académica señala que actualmente buscan nuevas fuentes de financiamiento para potenciar aún más la investigación en esta línea.
El potencial de Chile para ser líder mundial en hidrógeno verde
Uno de los principales desafíos en la carrera global por el hidrógeno tiene relación con los costos de producción, particularmente los asociados al proceso de electrólisis que separa las moléculas de oxígeno e hidrógeno del agua para la obtención de dihidrógeno (H2), gas inflamable que ha sido llamado el combustible del futuro.
Los avances en investigación e innovación jugarán un rol clave en la industria que Chile, a través de la “Estrategia Nacional de Hidrógeno Verde”, busca desarrollar para convertirse en potencia global de este energético.
El 3 de noviembre de 2020, el Ministerio de Energía de Chile presentó una «Estrategia Nacional de Hidrógeno Verde» con tres objetivos principales:
- Tener 5 GW de capacidad de electrólisis en desarrollo para 2025,
- producir el hidrógeno verde más barato del mundo para 2030 y
- estar entre los tres mayores exportadores de hidrógeno del mundo para 2040.
