Investigadores diseñan un reactor de membrana cerámica para la producción de hidrógeno

Investigadores de CoorsTek Membrane Sciences, la Universidad de Oslo y el Instituto de Tecnología Química de Valencia, España, han colaborado para desarrollar una tecnología de reactor de membrana cerámica para mejorar la producción de hidrógeno. Con esta tecnología, los investigadores han creado con éxito un método para lograr tanto la producción de hidrógeno como la captura de CO2 en un solo paso. Esto hace que el método sea mucho más eficiente energéticamente.

"Los métodos establecidos actualmente tienen índices de eficiencia energética de entre el 70 % y el 75 %, pero nuestro enfoque tiene una eficiencia potencial del 90 %", explicó Harald Malerød-Fjeld de CoorsTek Membrane Sciences en Oslo. "El producto final es hidrógeno comprimido con un alto grado de pureza. El reactor de membrana cerámica también separa el dióxido de carbono de manera más eficiente, lo que permite transportar y secuestrar fácilmente el gas de efecto invernadero".

Hace cinco años, el equipo de investigadores acababa de demostrar con éxito los principios fundamentales de la producción de hidrógeno utilizando un enfoque nuevo y altamente eficiente desde el punto de vista energético. Un artículo reciente en Science ahora ha confirmado que el método funciona, y el equipo ahora está trabajando para ampliar la tecnología.

"Este es un paso importante en el camino para hacer que el hidrógeno sea mucho más práctico como combustible", comentó Malerød-Fjeld. "El proceso también tiene una baja huella de carbono".

CoorsTek Membrane Sciences se especializa en la fabricación de materiales cerámicos para la conversión de energía y, junto con SINTEF, es uno de los socios de investigación de este proyecto.

La investigación se lleva a cabo en las instalaciones y laboratorios de SINTEF en Oslo, que comparten ubicación con las instalaciones de CoorsTek Membrane Sciences. El científico investigador sénior Thijs Peters de SINTEF es uno de los coautores del artículo de Science sobre el nuevo proyecto.

"Lo interesante de esta tecnología es que tiene relevancia tanto a corto como a largo plazo", agregó Peters. "Se puede utilizar no solo para la producción de hidrógeno azul a partir de gas natural, sino también para hidrógeno verde a partir de biogás o amoníaco como parte de un 'futuro más sostenible'".

La tecnología utilizada para producir hidrógeno a partir de gas natural se denomina reformado con vapor. El gas natural consiste en gran parte en metano y cuando este reacciona con el vapor se obtienen cuatro moléculas de hidrógeno por cada molécula de metano. Para que esta reacción tenga éxito, el vapor debe suministrarse a altas temperaturas.

Un problema importante asociado con el reformado con vapor es que el proceso requiere energía y tiene lugar en varias etapas. También tiene CO2 como subproducto. La nueva tecnología, por otro lado, no requiere calor externo para impulsar el proceso de reformado con vapor. Una clave del nuevo proceso es que el calor se produce automáticamente cuando el hidrógeno se bombea a través de la membrana cerámica. En este método, el calor se genera exactamente donde se requiere.

El bloque de construcción más pequeño utilizado en el nuevo método es una celda de combustible electroquímica que consta de un cilindro cerámico de seis centímetros de largo. El reactor de membrana ampliado, que se describe en el artículo de Science, mide 4 cm por 40 cm. Está compuesto por 36 celdas de este tipo que están conectadas para formar un circuito eléctrico continuo.

El material que conecta las celdas consiste en una vitrocerámica que, como su nombre indica, es un compuesto de materiales de vidrio y cerámica, como la porcelana. Luego, este material se mezcla con un polvo de metal conductor de electricidad.

Según CoorsTek Membrane Sciences, el desarrollo de este material ha sido clave para hacer posible el proceso de ampliación. Luego, la membrana del reactor se coloca en un tubo de acero que mantiene los gases a alta presión.

El secreto detrás de la nueva tecnología radica en el material, llamado cerámica conductora de protones, que forma la membrana que elimina el hidrógeno de la mezcla de gases.

Al encontrar metano (CH4), las moléculas de hidrógeno se dividen y la membrana descompone los átomos individuales en sus protones y electrones constituyentes. Los protones cargados positivamente atraviesan la membrana, mientras que los electrones son capturados en los electrodos y transportados alrededor de la membrana a través de un circuito eléctrico externo. Cuando los protones y electrones se reúnen en el otro lado de la membrana, el producto es hidrógeno comprimido puro.

El papel de SINTEF en el proyecto ha sido probar los reactores e investigar cómo se puede integrar este nuevo concepto de producción de hidrógeno en un sistema energético más grande.

"Es muy gratificante trabajar tan de cerca con un cliente para desarrollar una tecnología que es tan relevante para la transición verde", explicó Thijs Peters. "Uno aprende mucho de relaciones de trabajo tan estrechas con personas en tantos campos diferentes".

Harald Malerød-Fjeld también está muy satisfecho. La colaboración de su empresa con SINTEF ha sido muy estrecha y ha generado resultados visibles que ahora se han publicado en una revista internacional de gran prestigio.

La siguiente etapa en el desarrollo de esta tecnología ya está en marcha. Se ha establecido una instalación piloto en Dhahran en Arabia Saudita. También se ha revelado que el generador instalado en esta instalación, que es cinco veces más grande que el descrito en el artículo de Science, funciona.

"Estamos seguros de que esta tecnología se puede ampliar aún más", concluyó Harald Malerød-Fjeld. "Nuestra esperanza es que la primera instalación industrial de un sistema comercial de producción de hidrógeno pueda tener lugar en los próximos dos o tres años".

SINTEF continúa colaborando con CoorsTek Membrane Sciences en el desarrollo de reactores de membrana más grandes, y ambas organizaciones están trabajando en otros proyectos relacionados con la tecnología de materiales.

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