A continuación, se muestra una visualización de cómo se ve una celda ROJA. El hidrógeno se produce en el extremo del cátodo y el oxígeno en el extremo del ánodo. Ilustración:NTNU
El hidrógeno como portador de energía puede ayudarnos a alejarnos de los combustibles fósiles, pero solo si se crea de manera eficiente. Una forma de mejorar la eficiencia es utilizar el calor residual que queda de otros procesos industriales.
En junio, la Agencia Internacional de Energía confirmó lo que la mayoría de los expertos ya saben:que el mundo debería trabajar más para impulsar el uso de hidrógeno puro como fuente de energía libre de emisiones.
Uno de los desafíos de la creación de hidrógeno, sin embargo, es que se necesita energía, mucha energía. La IEA dice que producir todo el hidrógeno actual solo con electricidad requeriría 3600 TWh, que es más de lo que genera anualmente la Unión Europea.
Pero, ¿y si pudiera usar una fuente existente de energía desperdiciada para ayudar con la producción de hidrógeno? Un nuevo enfoque desarrollado por investigadores de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología hace exactamente esto:utilizando el calor residual de otros procesos industriales.
"Hemos encontrado una forma de utilizar el calor que de otro modo no valdría mucho, "dijo Kjersti Wergeland Krakhella, primer autor de un artículo sobre el proceso publicado en la revista académica MDPI Energies. "Es de bajo grado, calor a baja temperatura, pero se puede utilizar para producir hidrógeno ".
Una séptima parte de la producción de electricidad de Noruega
El calor residual es exactamente lo que parece:calor producido como subproducto de un proceso industrial. Cualquier cosa, desde una caldera industrial hasta una planta de conversión de residuos en energía, produce calor residual.
La mayoría de las veces este exceso de calor debe liberarse al medio ambiente. Los expertos en energía dicen que el calor residual de las empresas e industrias de Noruega equivale a 20 TWh de energía.
Para poner esto en perspectiva, Todo el sistema hidroeléctrico de Noruega produce 140 TWh de electricidad al año. Eso significa que hay una gran cantidad de calor residual que podría potencialmente ponerse a trabajar.
Membranas y sales
Los investigadores utilizaron una técnica llamada electrodiálisis inversa (RED), que se basa en soluciones salinas y dos variedades de membranas de intercambio iónico.
Para comprender lo que hicieron realmente los investigadores, primero tienes que entender cómo funciona la técnica RED.
Esto es lo que se necesita para producir las células. En el frente de la imagen está la membrana de intercambio iónico, mientras que en la parte posterior están los componentes de la celda que se utilizan para medir la conductividad de la membrana. Foto:Lars Robert Bang / NTNU
En rojo, una membrana, llamada membrana de intercambio aniónico, o AEM, permite que los electrones cargados negativamente (aniones) se muevan a través de la membrana, mientras que una segunda membrana, llamada membrana de intercambio catiónico, o CEM, permite que los electrones cargados positivamente (cationes) fluyan a través de la membrana.
Las membranas separan una solución salina diluida de una solución salina concentrada. Los iones migran de la solución concentrada a la diluida, y debido a que los dos tipos diferentes de membranas se alternan, obligan a los aniones y cationes a migrar en direcciones opuestas.
Cuando estas columnas alternas se intercalan entre dos electrodos, la pila puede generar suficiente energía para dividir el agua en hidrógeno (en el lado del cátodo) y oxígeno (en el lado del ánodo).
Este enfoque se desarrolló en la década de 1950 y utilizó por primera vez agua salada y agua de río.
Lo que hicieron Krakhella y sus colegas, sin embargo, era utilizar un tipo diferente de sal llamada nitrato de potasio. El uso de este tipo de sal les permitió utilizar el calor residual como parte del proceso.
Reutilizar las sales usando calor residual
Si ejecuta las pilas RED descritas anteriormente, en algún momento las soluciones de sal concentrada y diluida se vuelven cada vez más parecidas, por lo que tienen que renovarse.
Eso significa que debe encontrar una manera de aumentar la concentración de sal en la solución concentrada y eliminar la sal de la solución diluida. Ahí es donde entra el calor residual.
Los investigadores probaron dos sistemas.
El primero fue donde se usó el calor residual para evaporar el agua de la solución concentrada para hacerla más concentrada.
El segundo sistema utilizó calor residual para hacer que la sal se precipitara de la solución diluida (por lo que será menos salada).
"Si encuentra una manera de eliminar el agua o la sal, has hecho el trabajo, "Dijo Krakhella.
Los investigadores Odne Stokke Burheim y Kjersti Wergeland Krakhella ensamblan la celda de medición de conductividad de membrana que utilizaron para probar su uso del calor residual para ayudar a producir hidrógeno. Foto:Lars Robert Bang / NTNU
Ambos tenían beneficios
Cuando los investigadores observaron sus resultados, vieron que el uso de la tecnología de membranas existente y el calor residual para evaporar el agua de su sistema producía más hidrógeno por área de membrana que el método de precipitación.
La producción de hidrógeno fue cuatro veces mayor para el sistema de evaporación operado a 25 C y dos veces mayor para un sistema operado a 40 C en comparación con su sistema de precipitación.
Eso lo convirtió en un mejor candidato desde la perspectiva de los costos.
Sin embargo, el proceso de precipitación fue mejor en términos de demanda de energía, los investigadores encontraron. Por ejemplo, la energía necesaria para producir un metro cúbico de hidrógeno mediante el proceso de precipitación fue de solo 8,2 kWh, en comparación con los 55 kWh del proceso de evaporación.
Nuevo sistema con muchas posibilidades
Si bien el trabajo de Krakhella demuestra que el concepto funcionará, ella ha trabajado principalmente con un modelo de banco de laboratorio y muchos cálculos por computadora. Todavía queda mucho trabajo por hacer especialmente con respecto al tipo de sal utilizada en el proceso.
Los investigadores eligieron el nitrato de potasio para su sistema de sal, pero otras sales también podrían funcionar, ella dijo.
"Es un sistema completamente nuevo, ", dijo." Tendremos que hacer más pruebas con otras sales en otras concentraciones ".
Los precios de las membranas son un factor limitante
Otro problema que sigue limitando la producción de hidrógeno es que las membranas en sí siguen siendo extremadamente costosas.
Krakhella espera que a medida que las sociedades busquen alejarse de los combustibles fósiles, el aumento de la demanda reducirá el precio de las membranas, así como mejorar las características de las propias membranas.
"Las membranas son la parte más cara de nuestro sistema, ", Dijo Krakhella." Pero todos saben que tenemos que hacer algo sobre el medio ambiente, y el precio es potencialmente mucho más alto para la sociedad si no desarrollamos energía libre de contaminación ".
