Los experimentos de laboratorio y una campaña de vuelo parabólico han permitido a un equipo internacional de investigadores de Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) obtener nuevos conocimientos sobre la electrólisis del agua. en el que el hidrógeno se obtiene del agua mediante la aplicación de energía eléctrica. La electrólisis del agua podría desempeñar un papel clave en la transición energética si se pueden lograr mejoras en la eficiencia. Los hallazgos publicados recientemente en la revista Cartas de revisión física ofrecen un posible punto de partida para mejorar el impacto medioambiental de las tecnologías basadas en el hidrógeno.

Se necesitan soluciones viables para el almacenamiento intermedio de energía para garantizar que el exceso de electricidad generada por los sistemas de energía solar y eólica durante el pico de producción no se desperdicie. La producción de hidrógeno, que luego se puede convertir en otros portadores de energía química, es una opción atractiva. Es fundamental que este proceso se lleve a cabo de la forma más eficaz y, por tanto, rentable.

El equipo de investigadores de HZDR, dirigido por el profesor Kerstin Eckert, específicamente enfocado a la electrólisis del agua. Este método utiliza energía eléctrica para dividir las moléculas de agua en sus partes componentes:hidrógeno y oxígeno. Para hacer esto, se aplica una corriente eléctrica a dos electrodos sumergidos en una solución acuosa ácida o alcalina. Se forma hidrógeno gaseoso en un electrodo, y oxígeno en el otro. Sin embargo, la conversión de energía implica pérdidas. En la práctica, el método ofrece actualmente una eficiencia energética de alrededor del 65 al 85 por ciento, dependiendo del proceso electrolítico utilizado. El objetivo de la investigación de la electrólisis es aumentar la eficiencia a alrededor del 90 por ciento mediante el desarrollo de mejores técnicas.

Las burbujas de hidrógeno oscilantes proporcionan una nueva comprensión

Una mejor comprensión de los procesos químicos y físicos subyacentes es esencial para optimizar el proceso de electrólisis. Las burbujas de gas que crecen en el electrodo experimentan flotabilidad, haciendo que las burbujas suban. El problema de predecir con precisión el tiempo de desprendimiento de las burbujas de gas de los electrodos ha desconcertado a los investigadores durante años. También se sabe que la pérdida de calor se produce cuando quedan burbujas en el electrodo. En una combinación de experimentos de laboratorio y cálculos teóricos, los científicos ahora han generado una mejor comprensión de las fuerzas que actúan sobre la burbuja. "Nuestros hallazgos resuelven una vieja paradoja de la investigación sobre las burbujas de hidrógeno, "Calculó Eckert.

En experimentos anteriores, los investigadores ya notaron que las burbujas de hidrógeno comienzan a oscilar rápidamente. Investigaron este fenómeno con mayor detalle:utilizando una cámara de alta velocidad, capturaron la sombra de las burbujas, y analizó cómo las burbujas individuales pueden desprenderse de un electrodo cien veces por segundo, solo para volver a colocarlo inmediatamente después. Se dieron cuenta de que una fuerza eléctrica hasta ahora descuidada competía con la flotabilidad, facilitando la oscilación.

El experimento también mostró que una especie de alfombra de microburbujas se forma permanentemente entre la burbuja de gas y el electrodo. Por encima de un cierto espesor de alfombra, la fuerza eléctrica ya no puede hacer retroceder la burbuja, permitiendo que se eleve. Este conocimiento ahora se puede utilizar para mejorar la eficiencia de todo el proceso.

Los vuelos parabólicos confirman los hallazgos

Para fundamentar sus resultados, los investigadores repitieron el experimento durante un vuelo parabólico patrocinado por el Centro Aeroespacial Alemán (DLR). Esto les permitió examinar cómo los cambios en la flotabilidad influyen en la dinámica de las burbujas de gas. "La gravedad alterada durante una parábola nos permitió variar los parámetros físicos clave, que no pudimos influir en el laboratorio, "explicó Aleksandr Bashkatov, autor principal del estudio publicado recientemente. El Ph.D. Un estudiante del HZDR realizó los experimentos a bordo del vuelo parabólico junto con otros colegas. Durante períodos de gravedad cero aproximada, cuando se experimenta caída libre durante un vuelo parabólico, la flotabilidad es prácticamente nula, pero aumenta mucho al final de la parábola. Los resultados de los vuelos también mostraron que sería difícil transferir tecnologías de hidrógeno para su uso potencial en el espacio, sin flotabilidad, eliminar las burbujas de gas del electrodo sería un desafío aún mayor que en la Tierra.

Aplicación de electrolizadores de agua:energías regenerativas para la región

A pesar de que los experimentos del equipo de investigación tuvieron que realizarse en condiciones de laboratorio simplificadas, los nuevos hallazgos contribuirán a aumentar la eficiencia de los electrolizadores en el futuro. Los investigadores, encabezada por Kerstin Eckert, actualmente planean asociarse con socios de Fraunhofer IFAM Dresden, TU Dresde, Universidad de Ciencias Aplicadas Zittau-Görlitz y socios industriales locales para un proyecto que explora la producción de hidrógeno verde en la región alemana de Lusacia. El objetivo del proyecto es mejorar la electrólisis del agua alcalina hasta tal punto que pueda sustituir a los combustibles fósiles. "Los electrolizadores alcalinos son mucho más baratos y ecológicos, y no utilicen recursos escasos porque no necesitan electrodos recubiertos de metales preciosos. El objetivo a largo plazo del consorcio es desarrollar una nueva generación de potentes dispositivos alcalinos, "resumió Eckert.