Si bien a menudo se habla del hidrógeno como un combustible del futuro libre de contaminación, especialmente para su uso en vehículos eléctricos de pila de combustible, El hidrógeno se puede utilizar para mucho más que coches de cero emisiones. De hecho, desde la mejora de la flexibilidad de la red hasta la agricultura ecológica, El hidrógeno podría desempeñar un papel importante en un sistema energético limpio y resistente.

En un esfuerzo por hacer realidad esa visión, el Departamento de Energía (DOE) ha lanzado "Hidrógeno a escala, "o H2 @ Scale, una iniciativa que explora el potencial de la producción y utilización de hidrógeno a gran escala en los Estados Unidos para beneficiar a muchos sectores de la economía. En apoyo de la iniciativa, los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) han prestado cada vez más atención a la generación de hidrógeno.

"El hidrógeno es un portador de energía intermedio muy bueno", dijo el investigador de Berkeley Lab, Adam Weber. "Hay un gran enfoque ahora para usar hidrógeno para otros usos finales, no solo las pilas de combustible y los vehículos ".

El problema con el hidrógeno es, si bien es el elemento más común en nuestro planeta, no existe en ninguna parte en forma pura. Eso significa que debe producirse a partir de otros compuestos. En la actualidad, la gran mayoría del hidrógeno se produce extrayéndolo del gas natural, un proceso llamado reformado de metano con vapor. Si bien es económico, libera grandes cantidades de dióxido de carbono en el proceso.

Para una generación de hidrógeno más barata, más eficiente, y los investigadores de Berkeley Lab, que son menos contaminantes, están buscando varias tecnologías alternativas, aprovechando sus capacidades en pilas de combustible, materiales y otras áreas. Estos incluyen electrólisis, que usa electricidad para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno, y células fotoelectroquímicas (PEC), que utilizan la luz solar para hacer lo mismo.

Si la electricidad se genera mediante energía renovable, la electrólisis es esencialmente libre de contaminación. "Creemos que si miras la forma en que van la energía solar y eólica, los precios de la electricidad serán mucho más bajos en el futuro, y en horas de menor actividad, el precio puede incluso volverse negativo, ", Dijo Weber." Si podemos utilizar esa electricidad en una unidad de electrólisis intermitente, podemos empezar a producir hidrógeno muy económico ".

A medida que aumenta el uso de energía eólica y solar, un excedente de electricidad se convertirá en un problema para las empresas de servicios públicos. "La electrólisis se convierte en una buena forma de utilizar el exceso de electricidad; se ha demostrado que es una forma muy económica de nivelar la carga, ", dijo el investigador del Berkeley Lab, Nem Danilovic.

Como líder del Grupo de Conversión de Energía en Berkeley Lab y subdirector de HydroGEN, un consorcio de laboratorios nacionales del DOE centrado en materiales avanzados de separación de agua, Weber está supervisando una serie de proyectos para electrolizadores de alta y baja temperatura. La electrólisis se utiliza comercialmente en la actualidad, pero el desafío es hacerlo más eficiente y menos intensivo en capital.

Como celdas de combustible Los electrolizadores constan de un ánodo y un cátodo separados por un electrolito. "Tenemos una amplia experiencia en la investigación de pilas de combustible, y también lo estamos aprovechando para la electrólisis, ", dijo Danilovic." Muchas de las mismas herramientas y técnicas que se desarrollaron para comprender las membranas, catalizadores, se están aprovechando los modelos para aplicarlos a los electrolizadores y, con suerte, podemos reducir rápidamente el coste de la generación de hidrógeno ".

La investigación de la generación de hidrógeno de Berkeley Lab también está recibiendo un impulso de las capacidades desarrolladas en el Centro Conjunto para la Fotosíntesis Artificial, (JCAP), un Centro de Innovación Energética del DOE establecido en 2010 para avanzar en la investigación de combustibles solares. Sobre la base del trabajo que hicieron los investigadores de JCAP en Berkeley Lab con las células PEC, dividiendo el agua en hidrógeno en un electrodo y oxígeno en el otro, Weber y su equipo están refinando aún más las células para reducir el costo e integrarlas en los dispositivos.

"JCAP demostró una alta eficiencia para tomar la luz solar y generar burbujas de hidrógeno y oxígeno, ", Dijo Weber." Todavía tenemos que trabajar en la durabilidad y el costo, pero desarrollamos muchas capacidades en la ciencia de la superficie, catálisis, integración, y electrocatálisis. Muchas de esas capacidades se han transferido a nuestro trabajo de hidrógeno ".

Otros proyectos de investigación incluyen un generador de solar a hidrógeno de perovskita, un electrolizador de óxido sólido de alta temperatura, así como la investigación de materiales más básicos como parte del consorcio HydroGEN Advanced Water Splitting Materials, que está liderado por el Laboratorio Nacional de Energías Renovables. "Los materiales:ahí es donde creemos que puede haber innovación, en términos de eficiencia y también de costo, ", dijo Weber." Estamos trabajando en todo, desde cálculos ab initio de catalizadores hasta modelado multiescala a nivel de celda, analizar membranas, haciendo funcionalización de superficies y propiedades de superficies, a la evaluación comparativa ".

Además, los científicos de Berkeley Lab están desarrollando herramientas y análisis para acelerar el proceso de investigación y desarrollo, incluida la realización de análisis tecnoeconómicos para la integración de la red, comparar las tecnologías entre sí para tener métricas y objetivos comunes, y desarrollar un depósito de datos de materiales que los científicos puedan utilizar como herramienta de investigación.

Berkeley Lab también es parte de otro consorcio DOE, Materiales de hidrógeno — Consorcio de investigación avanzada (HyMARC), dirigido por Sandia National Laboratories, que trabaja en el almacenamiento de hidrógeno seguro y rentable. Científicos de la Fundición Molecular de Berkeley Lab, un centro de investigación científica a nanoescala del DOE, están trabajando en varios proyectos HyMARC y recientemente dirigieron un estudio sobre nanocristales de magnesio envueltos en una capa de grafeno, que mostró una gran promesa para almacenar hidrógeno de forma segura y en altas densidades. El investigador Jeff Urban dirige HyMARC para Berkeley Lab.

Si bien todavía hay problemas científicos que superar Weber y Danilovic, ambos en el Área de Tecnologías Energéticas de Berkeley Lab, Vemos una gran promesa de que el hidrógeno desempeñe un papel en industrias que van desde el transporte hasta la calefacción y la producción de alimentos. Agricultura moderna, por ejemplo, depende en gran medida de los fertilizantes, de los cuales amoniaco, o NH3, es un componente clave. "El hidrógeno del amoníaco se deriva del gas natural, "El uso de hidrógeno de bajo costo de la electrólisis podría proporcionar oportunidades de mercado para activos varados como la eólica restringida e industrias como la producción de fertilizantes", dijo Danilovic.

Al permitir la producción y utilización a gran escala de hidrógeno limpio, H2 @ Scale aborda cuestiones clave, como la resiliencia de la red, seguridad energética, y reducciones de emisiones.

"Para abordar múltiples necesidades de energía y transporte, El hidrógeno es un habilitador porque podemos hacerlo a partir de varias entradas, incluida la energía nuclear o la energía renovable, como la luz solar o la energía eólica, ", Dijo Danilovic." Podemos tomar electricidad limpia y usarla para producir hidrógeno, un producto bastante flexible que luego se puede utilizar en varias industrias, y en el proceso, permitir la seguridad energética, resistencia, y crecimiento económico ".