Unas diminutas burbujas pueden disparar más de un 50% el consumo eléctrico para producir hidrógeno verde
Un grupo de investigadores han descubierto que las burbujas formadas durante la electrólisis pueden aumentar más de un 50% la tensión necesaria para producir hidrógeno verde. Un nuevo modelo informático permitirá diseñar electrolizadores más eficientes y económicos.
El hidrógeno verde tiene un problema importante: producirlo requiere grandes cantidades de electricidad, lo que encarece su coste y dificulta que pueda competir con otras alternativas energéticas. Por eso, cualquier avance que permita reducir el consumo eléctrico de los electrolizadores resulta especialmente interesante para el futuro de esta tecnología.
Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Cornell, en Estados Unidos, y la City University de Hong Kong, ha identificado una de las causas de estas pérdidas energéticas. Y lo curioso es que el problema está en algo tan pequeño como las burbujas que se forman durante el proceso de electrólisis del agua.
Los científicos han desarrollado un modelo informático tridimensional que permite estudiar cómo estas burbujas afectan al funcionamiento de los electrolizadores. Los resultados muestran que, cuando alcanzan determinado tamaño, pueden provocar incrementos superiores al 50% en la tensión eléctrica necesaria para mantener la reacción, abriendo la puerta a importantes mejoras en el diseño de estos equipos.
El problema de las burbujas en la producción de hidrógeno verde
Para producir hidrógeno verde se utiliza electricidad procedente de fuentes renovables, como la solar o la eólica, para separar el agua en hidrógeno y oxígeno. Este proceso, conocido como electrólisis, se realiza mediante unos dispositivos llamados electrolizadores.
Durante su funcionamiento, los gases generados forman pequeñas burbujas sobre la superficie de los electrodos. Estas burbujas crecen hasta desprenderse y ascender a través del líquido, pero mientras permanecen adheridas pueden dificultar el contacto del agua con las zonas donde se producen las reacciones químicas.
Esto provoca que parte de la superficie activa quede bloqueada y que aumente la resistencia al paso de la corriente. Como consecuencia, el electrolizador necesita aplicar una tensión superior para producir la misma cantidad de hidrógeno, aumentando el consumo eléctrico del proceso.
Hasta ahora, los investigadores habían intentado reducir este problema modificando la forma de los electrodos, sus materiales y la circulación del agua. Sin embargo, resultaba complicado calcular con precisión cuánto afectaba cada burbuja al rendimiento energético.
Un descubrimiento que puede reducir considerablemente el consumo eléctrico
Para resolver esta cuestión, los investigadores han desarrollado un modelo matemático tridimensional que reproduce el comportamiento de las burbujas sobre los electrodos. La herramienta permite analizar procesos microscópicos y calcular cómo influyen en las necesidades eléctricas del sistema.
Los resultados han permitido identificar un tamaño crítico de burbuja a partir del cual las pérdidas aumentan rápidamente. Cuando las burbujas permanecen por debajo de ese umbral, el incremento adicional de tensión puede mantenerse dentro del 3%.
Sin embargo, cuando superan ese tamaño, las necesidades de tensión aumentan de forma exponencial. En determinadas condiciones, los investigadores observaron que una sola burbuja podía provocar un incremento superior al 50% respecto a la tensión necesaria sin su presencia.
La clave está en conseguir que las burbujas se desprendan de los electrodos antes de alcanzar ese tamaño crítico. Para ello, los científicos proponen desarrollar nuevas geometrías y superficies que faciliten su evacuación, reduciendo las pérdidas energéticas durante la producción de hidrógeno.
Un modelo 1.000 veces más rápido para desarrollar electrolizadores eficientes
Otro de los aspectos más interesantes de la investigación es la herramienta informática utilizada. Los científicos han conseguido desarrollar un sistema que funciona como un gemelo digital de un electrolizador, reproduciendo sus materiales, geometría y condiciones de funcionamiento.
Gracias a este modelo, pueden estudiar el comportamiento de las burbujas y probar diferentes diseños sin necesidad de fabricar físicamente cada prototipo. Además, han logrado reducir el esfuerzo computacional aproximadamente 1.000 veces, manteniendo la precisión de los cálculos.
El siguiente paso será ampliar las simulaciones para analizar cómo interactúan múltiples burbujas, cómo crecen y cómo se unen entre sí. También quieren combinar esta tecnología con herramientas de optimización e impresión 3D para desarrollar electrodos que faciliten la salida de los gases.
Un avance importante para abaratar el hidrógeno verde
La importancia de este descubrimiento está directamente relacionada con el coste de producción. Actualmente, obtener un kilogramo de hidrógeno mediante electrólisis requiere habitualmente entre 50 y 60 kWh de electricidad, dependiendo de la tecnología utilizada.
Esto significa que, con un precio eléctrico de 50 euros/MWh, solamente la electricidad supone entre 2,50 y 3 euros por kilogramo de hidrógeno producido. A esa cantidad hay que añadir la inversión en los electrolizadores, su mantenimiento y los demás costes de funcionamiento.
Por tanto, mejorar la eficiencia energética puede tener un impacto considerable en la competitividad de esta tecnología, especialmente en grandes instalaciones industriales que producen miles de toneladas de hidrógeno al año.
El avance desarrollado por Cornell abre una nueva vía para conseguirlo. En lugar de centrarse exclusivamente en nuevos materiales o tecnologías de electrólisis, los investigadores han demostrado que optimizar la formación y evacuación de las burbujas puede ser fundamental para reducir el consumo eléctrico.
Una mejora que podría contribuir a hacer más competitivo el hidrógeno verde en sectores como la siderurgia, la industria química o la producción de fertilizantes, donde sustituir el hidrógeno obtenido a partir de combustibles fósiles representa uno de los grandes desafíos de la descarbonización.
Fuente | Pubs.rsc
