Hidrógeno de agua de mar

Los CIENTÍFICOS han desarrollado un sistema que puede producir hidrógeno verde directamente a partir de agua de mar sin la necesidad de procesos de pretratamiento como la desalinización. El equipo detrás del desarrollo, que implica la introducción de una capa de ácido de Lewis sobre un catalizador de óxido de metal de transición, dice que el método muestra un alto potencial para su aplicación comercial.

Más del 97% del agua de la superficie de la Tierra es agua salada en los océanos, el 2% se almacena como agua dulce en casquetes polares, glaciares y cadenas montañosas nevadas, y sólo el 1% está disponible para nuestras necesidades diarias de suministro de agua.

 
El agua salina se puede convertir en agua potable mediante un proceso llamado desalinización, una técnica de la que dependen algunas zonas del mundo para producir agua dulce para consumo humano y uso doméstico e industrial. Pero la desalinización es un proceso que requiere mucha energía y, lo que es peor, a menudo se alimenta de fuentes de energía que son insostenibles.

También se comprende bien la división del agua en sus partes constituyentes. El proceso, conocido como electrólisis, utiliza una corriente continua entre dos electrodos sumergidos en un electrolito para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. El hidrógeno se forma en el cátodo o electrodo negativo y el oxígeno en el electrodo positivo o ánodo.

Debido a que una mezcla de gases puede explotar, la mayoría de los electrolizadores separan el ánodo y el cátodo con una lámina de plástico gruesa y porosa, y se utilizan catalizadores metálicos como níquel y hierro para acelerar las reacciones.

Unir ambos procesos, es decir, desalinizar agua de mar y luego dividirla para crear hidrógeno, ha sido aclamado durante mucho tiempo como una de las mejores soluciones para proporcionar combustible limpio y asequible para la energía, que a su vez podría alimentar todo, desde la electricidad de una ciudad hasta la producción de acero, para producir fertilizantes e incluso como combustible para aviones: la lista de usos potenciales es larga.

Sin embargo, una de las razones por las que aún no utilizamos combustible de hidrógeno para volar alrededor del mundo es que el agua salada y otras impurezas corroen los electrodos, acortando su vida útil. Como esos componentes suelen estar hechos de metales raros como el platino, cuesta demasiado seguir reemplazándolos. Los iones de cloruro en el agua de mar también son un problema y las reacciones de electrooxidación del cloro (ClOR) compiten con la reacción de evolución de oxígeno (REA) en el ánodo durante la electrólisis. Esta reacción da como resultado la liberación de especies de cloro tóxicas y corrosivas como el hipoclorito. El hipoclorito es relativamente inestable, puede liberar cloro gaseoso tóxico cuando se mezcla con amoníaco o ácido y también puede corroer el acero inoxidable.

Para evitarlo, el agua de mar podría desalinizarse y purificarse antes de procesarla, pero esto tampoco siempre es económicamente viable. Otra opción es recubrir los electrodos con polianiones para suprimir la corrosión, pero esto también puede resultar costoso.

Pocas soluciones climáticas vienen sin desventajas. El hidrógeno "verde", obtenido mediante el uso de energía renovable para dividir las moléculas de agua, podría impulsar vehículos pesados ​​y descarbonizar industrias como la siderúrgica sin emitir una bocanada de dióxido de carbono. Pero debido a que las máquinas divisoras de agua, o electrolizadores, están diseñadas para funcionar con agua pura, el aumento del hidrógeno verde podría exacerbar la escasez mundial de agua dulce. Ahora, varios equipos de investigación están informando de avances en la producción de hidrógeno directamente a partir de agua de mar, que podría convertirse en una fuente inagotable de hidrógeno verde.

Hoy en día, casi todo el hidrógeno se produce descomponiendo el metano y quemando combustibles fósiles para generar el calor y la presión necesarios. Ambos pasos liberan dióxido de carbono. El hidrógeno verde podría sustituir a este hidrógeno sucio, pero por el momento cuesta más del doble, aproximadamente 5 dólares el kilogramo. Esto se debe en parte al alto costo de los electrolizadores, que dependen de catalizadores fabricados a partir de metales preciosos. El Departamento de Energía de Estados Unidos lanzó recientemente un esfuerzo de una década para mejorar los electrolizadores y reducir el costo del hidrógeno verde a 1 dólar por kilogramo.

Si tienen éxito y la producción de hidrógeno verde se dispara, la presión podría aumentar sobre los suministros de agua dulce del mundo. Generar 1 kilogramo de hidrógeno mediante electrólisis requiere unos 10 kilogramos de agua. Hacer funcionar camiones e industrias clave con hidrógeno verde podría requerir aproximadamente 25 mil millones de metros cúbicos de agua dulce al año, equivalente al consumo de agua de un país con 62 millones de habitantes, según la Agencia Internacional de Energías Renovables.

El agua de mar es casi ilimitada, pero dividirla conlleva sus propios problemas. Los electrolizadores están construidos de forma muy parecida a las baterías, con un par de electrodos rodeados por un electrolito acuoso. En un diseño, los catalizadores en el cátodo dividen las moléculas de agua en iones de hidrógeno (H+) e hidroxilo (OH-). El exceso de electrones en el cátodo une pares de iones de hidrógeno para formar gas hidrógeno (H2), que burbujea fuera del agua. Mientras tanto, los iones OH- viajan a través de una membrana entre los electrodos para llegar al ánodo, donde los catalizadores convierten el oxígeno en oxígeno gaseoso (O2) que se libera.

Sin embargo, cuando se utiliza agua de mar, la misma sacudida eléctrica que genera O2 en el ánodo también convierte los iones de cloruro del agua salada en cloro gaseoso altamente corrosivo, que corroe los electrodos y los catalizadores. Por lo general, esto hace que los electrolizadores fallen en tan solo unas horas, cuando normalmente pueden funcionar durante años.

El hidrógeno es una sustancia química versátil que se utiliza para la producción de muchos productos, incluidos los fertilizantes. El hidrógeno también es un componente clave de la tecnología de pilas de combustible, que aprovecha la electricidad producida por fuentes de energía renovables pero intermitentes como la solar y la eólica. La mayor parte del hidrógeno producido en todo el mundo deriva de un proceso en el que el metano se expone al calor y al vapor para producir hidrógeno.

El hidrógeno también se puede producir a partir de la electrólisis del agua, que utiliza electricidad para dividir las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno impulsados ​​por fuentes renovables como la solar y la eólica. Pero hay un problema. La electrólisis requiere agua muy limpia que haya sido desionizada, lo que significa que primero se deben eliminar todas las impurezas, minerales y partículas cargadas electrónicamente. Los procesos convencionales de purificación de agua requieren equipos costosos y pueden provocar pérdidas de energía.

Investigadores del Departamento de Ingeniería y Salud Ambiental de la Universidad Johns Hopkins, en colaboración con la Universidad Penn State, han encontrado una manera de utilizar agua de mar como fuente directa de hidrógeno, sin necesidad de desalinización preliminar. Sus resultados aparecen en Ciencia y Tecnología Ambientales.

"Descubrimos que podemos utilizar membranas compuestas de película delgada, que se utilizan para purificar agua salada, en electrolizadores de agua, dividiendo el agua en gas hidrógeno y oxígeno, evitando al mismo tiempo la producción de gas cloro nocivo, lo que ocurre con otros tipos de membranas".
En su estudio, Rossi y sus colegas probaron membranas compuestas de película delgada directamente en el electrolizador, un dispositivo que utiliza electricidad para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, logrando en un solo paso tanto la purificación del agua como la producción de hidrógeno. Descubrieron que la microestructura porosa del material permitía que sólo pequeños protones e iones de hidróxido migraran a través de la membrana, rechazando impurezas y otros iones que pueden producir reacciones indeseables. Los investigadores dicen que este novedoso enfoque podría reemplazar los sistemas convencionales, en los que se utilizan costosas membranas de intercambio iónico en combinación con alimentaciones de agua ultrapura.

"Las membranas de desalinización de agua baratas pueden ser una alternativa a las membranas más caras basadas en polímeros y pueden usarse para la producción de hidrógeno a partir de fuentes de agua de baja calidad como el agua de mar", dijo Rossi. "El resultado es un proceso eficiente de producción de hidrógeno a partir de fuentes de energía renovables que elimina la necesidad de purificar el agua".

Señaló que el uso del agua de mar en electrolizadores es difícil debido a su alta salinidad. Sin embargo, es abundante y está disponible en lugares como las zonas costeras, donde se puede generar electricidad renovable como la solar y la eólica, pero donde hay poca disponibilidad de agua dulce. En tales lugares, otras fuentes de agua de baja calidad, como aguas residuales, podrían usarse en lugar de agua de mar en este proceso.

El equipo financiado por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. integró tecnología de purificación de agua en un nuevo diseño de prueba de concepto para un electrolizador de agua de mar, que utiliza una corriente eléctrica para separar el hidrógeno y el oxígeno en las moléculas de agua.

Este nuevo método de "división del agua de mar" podría facilitar la conversión de la energía eólica y solar en un combustible almacenable y portátil, según Bruce Logan, ingeniero ambiental.

"El hidrógeno es un gran combustible, pero hay que producirlo", dijo Logan. "La única forma sostenible de hacerlo es utilizar energía renovable y producirla a partir del agua. También es necesario utilizar agua que la gente no quiere utilizar para otras cosas, y esa sería agua de mar. Entonces, el santo grial de la producción de hidrógeno Sería combinar el agua de mar y la energía eólica y solar que se encuentran en entornos costeros y marinos".

A pesar de la abundancia de agua de mar, no se utiliza habitualmente para dividir el agua. A menos que el agua se desalinice antes de ingresar al electrolizador, un paso adicional costoso, los iones de cloruro en el agua de mar se convierten en cloro gaseoso tóxico, que degrada el equipo y se filtra al medio ambiente.

Para evitar esto, los investigadores insertaron una membrana delgada y semipermeable, desarrollada originalmente para purificar agua en el proceso de tratamiento por ósmosis inversa. La membrana de ósmosis inversa reemplazó a la membrana de intercambio iónico comúnmente utilizada en los electrolizadores.
"La idea detrás de la ósmosis inversa es que se pone una presión muy alta sobre el agua y se la empuja a través de la membrana y se mantienen los iones de cloruro detrás", dijo Logan.

A través de una serie de experimentos publicados en Energy & Environmental Science, los investigadores probaron dos membranas de ósmosis inversa disponibles comercialmente y dos membranas de intercambio catiónico, un tipo de membrana de intercambio iónico que permite el movimiento de todos los iones cargados positivamente en el sistema.

La energía limpia es una prioridad absoluta para los países de todo el mundo. Mientras que la energía convencional depende de combustibles fósiles como el carbón, el gas natural y el petróleo, la energía limpia se presenta en diversas formas, como la solar, la eólica, la geotérmica, la hidroeléctrica y la biomasa.

El hidrógeno también es una opción líder de almacenamiento de energía para las energías renovables y podría ayudar a reducir los altos niveles de emisiones de carbono.
Las investigaciones actuales sugieren que la electrólisis del agua salada (el proceso de dividir el agua en oxígeno e hidrógeno) es una solución viable a los desafíos comunes de la electrólisis del agua dulce. La electrólisis del agua de mar podría producir hidrógeno sostenible sin empeorar la escasez mundial de agua dulce.

Según el Centro de datos de combustibles alternativos del Departamento de Energía de los Estados Unidos, el hidrógeno puro es un elemento abundante en la Tierra que resulta muy prometedor para apoyar la transición hacia una energía limpia, sostenible y renovable.

Una vez producido el hidrógeno, puede generar electricidad en una pila de combustible y solo emite vapor de agua y aire caliente. Debido a que el hidrógeno no libera gases de efecto invernadero, óxidos de nitrógeno, hidrocarburos u otras partículas, no afecta negativamente al medio ambiente.
El hidrógeno tiene otros beneficios que ayudarán a crear una economía de energía limpia. Es una solución energética óptima en áreas que suelen ser difíciles de descarbonizar. Aumenta la confiabilidad y resiliencia de la red eléctrica moderna. También puede mejorar la salud pública y el estado del medio ambiente.

Además, puede aumentar el número de oportunidades de empleo y la seguridad energética en las industrias globales. Puede ayudar a que la industria del transporte sea más sostenible y respaldar el cambio hacia los vehículos eléctricos (EV). Y puede contribuir a aumentar los ingresos y fortalecer la economía mundial.

Uno de los desafíos que aumentan los costos asociados con la producción de hidrógeno verde es que los electrolizadores requieren agua ultrapura. Esto dificulta la electrólisis tradicional del agua salada porque muchas fuentes de agua están llenas de contaminantes.
Aunque la EPA tiene requisitos estrictos para el agua debido a la presencia de plomo, cloro y bacterias, eso no significa necesariamente que toda el agua esté libre de contaminantes.

Electrólisis de agua de mar
La investigación sobre la electrólisis del agua de mar surgió a principios del siglo XIX. Aunque los científicos lograron avances en la producción de hidrógeno, nunca ganó fuerza ni se convirtió en una solución energética viable. En el siglo XX, el hidrógeno se extraía principalmente del gas natural y se utilizaba para impulsar automóviles, autobuses, dirigibles y cohetes.

Si bien el uso de este hidrógeno era factible, su producción requería un uso intensivo de energía y contribuía a las emisiones de carbono, una de las principales causas del cambio climático. Además, algunas ciudades filtran los residuos sólidos municipales con tecnología de pilas de combustible de hidrógeno, que produce hidrógeno y previene la contaminación derivada de los residuos en los suministros de agua locales.

Varios investigadores y científicos están desarrollando tecnologías avanzadas que utilizan la electrólisis del agua de mar para evitar estos desafíos. Si estas tecnologías funcionan correctamente, producirán hidrógeno sostenible sin utilizar recursos de agua dulce ni contribuir a las emisiones de carbono.

Los productos se venden en todas las regiones de China y se exportan a países de todo el mundo. Se han vendido en más de 20 países y regiones, incluidos Estados Unidos, Alemania, Marruecos, Kenia, Arabia Saudita, Vietnam, Argelia, India, Tanzania y Taiwán. Proporcionó con éxito empresas reconocidas como China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group y otras empresas reconocidas. Hay muchas estaciones de hidrogenación de hidrógeno verde, como Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, etc., que ofrecen proyectos ecológicos y de producción de hidrógeno.