Científicos valencianos descubren cómo extraer combustible del agua mediante microondas
Un equipo de investigadores de la Universidad Politécnica de Valencia y del Consejo Superior de Investigaciones Científicas han ideado un nuevo método que permite extraer hidrógeno (y también oxígeno) del agua (y de otros productos químicos), utilizando únicamente microondas, sin cables y sin ningún tipo de electrodos. Esto representa un hito fundamental en el campo de la investigación energética y un avance hacia la obtención de combustibles que sean una alternativa barata y no contaminante a los actuales. En un futuro no muy lejano (tal vez un par de décadas) habrá que prescindir de los combustibles fósiles y será necesario reemplazarlos por otras fuentes energéticas seguras y económicas, que sean de uso intensivo tanto en la industria como en el sector del transporte y la automoción. Este estudio revolucionario ha sido publicado en la última edición de la revista científica Nature Energy.
La tecnología desarrollada y patentada por la UPV y el CSIC se basa en el fenómeno de la descomposición de materiales sólidos mediante microondas y portadores iónicos de energía, es decir han conseguido la electrólisis del agua mediante la activación por microondas de materiales sólidos a bajas temperaturas (inferiores a 250 °C). El agua se descompuso mediante la reacción con CeO2 dopado con gadolinio (no en equilibrio) que previamente se había desoxigenado electroquímicamente in situ mediante la sola aplicación de microondas. La desoxigenación de moléculas inertes (tales como H2O o CO2), condujo a la formación de portadores de energía que permitió la producción del gas combustible metano cuando se integró el dispositivo de microondas con un reactor Sabatier.
Este método permite llevar a cabo procesos electroquímicos de forma directa, sin necesidad de electrodos, lo que simplifica y reduce significativamente los costes, ya que proporciona más libertad en el diseño de la estructura del dispositivo y la elección de las condiciones de funcionamiento, principalmente de la temperatura de la electrólisis.
El equipo de investigadores observó que ciertos materiales ionizados mediante microondas mostraron cambios inusuales en sus propiedades, específicamente en su conductividad eléctrica, cambios que no ocurren mediante calentamiento convencional. Las microondas interactúan con estos materiales acelerando sus electrones y desencadenando la liberación de moléculas de oxígeno (y consecuentemente de hidrógeno) de la estructura del material, fenómeno que se denomina reducción. Este cambio se hizo palpable a temperaturas relativamente bajas (aproximadamente 300 ºC), instante en el que la conductividad varía bruscamente. "Este estado de semiequilibrio se mantiene mientras se aplican microondas, pero tiende a revertirse a través de la reoxigenación (reoxidación) cuando dejan de aplicarse las microondas. Enseguida nos dimos cuenta del enorme potencial práctico que tenía este descubrimiento, especialmente en una coyuntura como la actual de progresiva descarbonización, necesaria para alcanzar el objetivo de que la Unión Europea sea climáticamente neutra en 2050, una economía con cero emisiones netas de gases de efecto invernadero.", concluye el profesor José Manuel Serra.
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El uso principal de esta tecnología "disruptiva" es la producción de hidrógeno verde (producido sin emitir gases de efecto invernadero) a partir de agua, para usos industriales y de transporte. "Es una tecnología con un gran potencial práctico, especialmente por sus posibilidades de uso en el almacenamiento de energía y la producción de combustibles sintéticos y productos químicos ecológicos. Este aspecto es de gran importancia hoy en día, ya que tanto el transporte como la industria están inmersos en una transición hacia la descarbonización y la electrificación, lo que significa que tienen que cumplir objetivos muy desafiantes en 2030 y 2040 para disminuir el consumo de energía y sustancias de origen fósil, principalmente gas natural y petróleo", afirma el profesor José Manuel Serra, investigador del Instituto de Tecnología Química (ITQ).
Según el profesor José Manuel Catalá, este proceso ofrece numerosas ventajas sobre los electrolíticos: "Este método permitirá transformar la electricidad renovable, normalmente de origen solar o eólico, en productos de valor añadido y combustibles ecológicos. Tiene innumerables usos y esperamos que surjan nuevos usos para la industria de procesos y almacenamiento de energía, mediante la puesta a punto de la composición de materiales y las condiciones de funcionamiento". En sus cálculos de coste de producción se desvela la ventaja económica de este procedimiento para obtener combustible sobre los que existen actualmente. Obtener hidrógeno barato permitirá un alto grado de competitividad en el sector energético y una pronta adaptación a usos industriales y particulares.
Este descubrimiento supone una nueva tecnología para baterías de carga ultrarrápida, es decir, baterías que se puedan cargar en cuestión de segundos. Esto comenta el profesor José Manuel Catalá: 'Nuestra tecnología podría permitir una reducción prácticamente instantánea (inyección de electrones) del electrodo (ánodo metálico) que almacena energía. En otras palabras, pasaríamos de un proceso de carga progresiva basado en capas (2D), que puede llevar horas, a un proceso de recarga simultánea en todo el volumen (3D) del material que almacena la energía". Y la cosa no se queda ahí: "Un uso específico sería la producción directa de oxígeno con rocas extraterrestres (regolitos), que podrían tener un papel clave en la futura exploración y colonización de la Luna, Marte u otras lunas del sistema solar".
J. M. Serra, J. F. Borras-Morell, B. Garcia-Baños, M. Balaguer, P. Plaza-Gonzalez, J. Santos-Blasco, D. Catalán-Martínez, L. Navarrete and J. M. Catala-Civera. Hydrogen production via microwave-induced water splitting at low temperature. Nature Energy. DOI: 10.1038/s41560-020-00720-6