Investigadores de la Universidad de Stanford, en Estados Unidos, han desarrollado un nuevo método para producir hidrógeno de forma más eficiente y evitando las emisiones directas de dióxido de carbono asociadas al proceso convencional.
El sistema se basa en la pirólisis de metano, una técnica que descompone este gas en hidrógeno y carbono sólido. El avance, publicado en la revista científica Science, introduce además una nueva forma de calentar los reactores desde su interior que, según los investigadores, podría multiplicar aproximadamente por diez su eficiencia energética.
El proceso también ha dejado una sorpresa: el carbono sólido obtenido resultó ser grafito de alta calidad, un material utilizado, entre otras aplicaciones, en baterías y electrodos.
Producir hidrógeno sin generar directamente CO2
El hidrógeno es una materia prima fundamental para numerosos procesos industriales y agrícolas. Sin embargo, gran parte del que se produce actualmente procede del gas natural mediante métodos que generan importantes emisiones de CO2.
«Hoy en día, utilizamos gas natural para producir hidrógeno, pero también generamos CO2», explica Henry Moise, investigador del Departamento de Ingeniería Química de Stanford y coautor principal del estudio.
La alternativa analizada por su equipo utiliza también metano, pero cambia lo que ocurre durante el proceso.
En lugar de convertir parte del carbono del metano en CO2 gaseoso, la pirólisis lo transforma en carbono sólido.
Esta tecnología lleva años investigándose, aunque trasladarla desde el laboratorio hasta instalaciones capaces de producir grandes cantidades de hidrógeno plantea varios desafíos.
Entre ellos se encuentran la retirada del carbono sólido del reactor y, especialmente, conseguir aportar suficiente calor de manera eficiente.
El reto de calentar reactores enormes
La pirólisis del metano requiere temperaturas cercanas a los 1.000 grados Celsius.
El problema es que los reactores industriales suelen calentarse desde el exterior. Este sistema puede resultar adecuado a pequeña escala, pero pierde eficacia cuando aumenta el tamaño de las instalaciones.
«Una vez que se calienta algo muy grande desde el exterior, es difícil que el calor penetre hasta el centro del reactor», señala Matteo Cargnello, profesor asociado de Ingeniería Química de Stanford y autor principal del trabajo.
Para solucionar esta limitación, los investigadores probaron una estrategia diferente: generar el calor directamente dentro del reactor.
El equipo instaló un quemador en su interior capaz de utilizar de manera selectiva una pequeña parte del propio hidrógeno producido. Al quemarse, este hidrógeno genera principalmente agua y proporciona el calor necesario para mantener funcionando la reacción.
De esta manera, el sistema evita recurrir a la combustión de gas natural para calentar el reactor y, con ello, evita también las emisiones directas de carbono derivadas de ese calentamiento.
Planta de tratamiento de aguas.
Hasta diez veces más eficiente
El resultado es un sistema de calentamiento denominado autotérmico que, de acuerdo con los investigadores, ofrece una mejora considerable de la eficiencia.
Con la misma cantidad de energía, un reactor que utiliza este método podría producir aproximadamente lo mismo que diez reactores calentados mediante métodos externos convencionales.
«Todo se reduce a la idea de eficiencia», explica Moise. «Se pueden reducir las emisiones de CO2 evitando producirlas, pero también se pueden reducir optimizando el uso de la energía».
Esta mejora podría ser especialmente importante si la tecnología acaba trasladándose a instalaciones de gran tamaño, necesarias para responder a la elevada demanda mundial de hidrógeno.
El estudio se centra precisamente en resolver el problema del calentamiento. La tecnología todavía deberá afrontar otros retos antes de poder utilizarse de forma generalizada, entre ellos el manejo del carbono sólido generado durante el proceso.
Una sorpresa: grafito de alta calidad
Durante los experimentos, los científicos encontraron además un posible beneficio adicional. El carbono sólido obtenido mediante la reacción presentaba un elevado grado de grafitización y una calidad superior a la esperada.
«No es que no esperáramos encontrar carbono de mayor calidad, pero el grado de grafitización y la calidad del carbono eran tan elevados», reconoce Moise, quien considera este resultado una de las mayores sorpresas del proyecto.
El grafito es un material utilizado en tecnologías como las baterías y los electrodos, por lo que obtenerlo como subproducto podría aportar un valor adicional al proceso de producción de hidrógeno.
Una molécula presente en numerosos productos cotidianos
El hidrógeno es esencial para numerosos procesos industriales, aunque su presencia pase desapercibida. Se utiliza, por ejemplo, para fabricar amoníaco destinado a fertilizantes, producir metanol y eliminar azufre durante el refinado de combustibles.
Por eso, los investigadores consideran clave avanzar hacia métodos de producción con menor impacto ambiental. El nuevo sistema de Stanford podría contribuir en el futuro a producir hidrógeno de forma más eficiente y con menos emisiones.
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