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Un catalizador acerca la energía del hidrógeno

Investigadores del CSIC y de la Universidad Politécnica de Catalunya han desarrollado un catalizador para obtener hidrógeno a partir de etanol. El dispositivo, que ya está patentado y se ha probado en laboratorio con éxito, puede ser la solución definitiva al transporte basado en hidrógeno. También se puede aplicar en sistemas estacionarios de obtención de hidrógeno para la industria química y energética, o en otras aplicaciones portátiles. Ahora buscan empresas interesadas en desarrollar aplicaciones.

Imagen del catalizador. La conversión a hidrógeno se produce en los canales.Cuando hace unos años se hablaba de coches movidos por hidrógeno, uno de los inconvenientes que dificultaban su desarrollo era la seguridad, ya que el hidrógeno es un gas muy inflamable, además de difícil de almacenar. Actualmente existen varios centenares de prototipos de automóviles movidos por hidrógeno (la gran mayoría de los cuales transportan el gas en forma líquida o gaseosa a alta presión). Han pasado pruebas muy estrictas de seguridad pero eso no evita que el hidrógeno siga siendo un gas mucho más peligroso que la gasolina. Paralelamente, se han empezado a instalar algunas estaciones dispensadoras de hidrógeno o 'hidrogeneras', con vistas a reemplazar a las gasolineras.

Extender este modelo supone una gran inversión económica para crear medidas de seguridad e infraestructuras para el transporte y la venta de hidrógeno. ¿Se podría evitar eso? Sí, si se dispusiera de un dispositivo que generase el hidrógeno en el propio vehículo. Es lo que persiguen científicos de todo el mundo desde hace unos años. Para ello, se han propuesto diversos tipos de catalizadores que producirían hidrógeno, aunque una serie de inconvenientes técnicos hacían muy difícil su viabilidad.

Ahora, una investigación dirigida por Jordi Llorca, del Instituto de Técnicas Energéticas de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) y Elies Molins, del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (CSIC) ha desarrollado y patentado un catalizador que podría ser la solución definitiva. En el desarrollo también han participado Montserrat Domínguez y Elena Taboada, estudiantes de doctorado de la UPC y del CSIC.

El dispositivo transforma una mezcla de etanol y agua en hidrógeno y dióxido de carbono. Consiste en una pieza de cerámica, con canales recubiertos con un aerogel, un material muy poroso y transparente, que contiene nanopartículas de cobalto. Son estas nanopartículas de cobalto las que propiamente actúan transformando el etanol en hidrógeno.

Funcionamento del catalizador

Para su funcionamiento, el catalizador debe ser calentado a la temperatura de reacción (unos 310 grados C). Con la temperatura adecuada, la mezcla de etanol y agua se hace pasar a través de los canales y sale por el otro lado ya en forma de hidrógeno y CO2. Por cada molécula de etanol y tres de agua se obtienen seis moléculas de hidrógeno y dos de CO2.

Este dispositivo tiene un gran potencial para el desarrollo de pilas de combustible ('fuel cell') de hidrógeno. Los directores de la investigación, Elies Molins y Jordi Llorca, indican que una de las principales ventajas del dispositivo es la ganancia energética. "La energía de cada molécula de etanol corresponde a la de 5 moléculas de hidrógeno", explica Molins. "Pero en nuestro catalizador se obtienen 6 moléculas de hidrógeno, dado que en la reacción se absorbe calor. Así, el calor residual de la pila de combustible (o de cualquier otra fuente) se aprovecha y aumenta aún más el rendimiento global del sistema". Se trata pues de un circuito realimentado donde la energía para poner en marcha el catalizador la puede generar la propia pila de combustible.

Más ventajas son que la temperatura requerida es mucho más baja que la de otros catalizadores. Además, la producción de hidrógeno también es rápida: en apenas 2 minutos se obtiene hidrogeno.

Pero sobretodo, lo que hace a este catalizador superior a otros desarrollados anteriormente, es que no necesita ningún tratamiento previo ni ser preservado del contacto con el aire o la humedad. "Todos los catalizadores propuestos hasta la fecha necesitan un tratamiento de reducción [proceso químico destinado a disminuir el estado de oxidación], lo que supone dejar el catalizador con hidrógeno y a alta temperatura durante unas horas antes de cada uso", explica Jordi Llorca, profesor de la UPC. "Eso no es viable, uno no puede poner el coche en reposo una o varias horas antes de cada uso". En cambio, el catalizador desarrollado en los laboratorios de la UPC y el CSIC no necesita ninguna inducción ni condicionamiento.

Además, si se compara el consumo de un coche que funcione con etanol con el hipotético consumo de un coche basado en este catalizador, las cuentas también son rentables: con el catalizador, el consumo de etanol se podría reducir en un 25%, aunque los investigadores advierten que es un cálculo 'a priori'. A nivel medioambiental, el catalizador sigue produciendo CO2, aunque en menor cantidad que un coche de motor de combustión. Pero, sobre todo, desaparecen los problemas del almacenamiento, transporte y suministro de hidrógeno, que son los que más están frenando su implantación.

Por otro lado, los investigadores están ensayando el dispositivo con combustibles sintéticos obtenidos de fuentes alternativas (residuos por ejemplo).

Lo que hace a este catalizador superior a los otros es que no necesita ningun tratamiento previo antes de cada uso, ni ser preservado del aire y la humedad

Aerogel y nanopartículas, un matrimonio conveniente

El catalizador es un desarrollo de la nanotecnología destinado a la obtención de energía para la industria en un sentido muy amplio, lo que rompe con el tópico de que las aplicaciones nanotecnológicas sólo tienen aplicación en biomedicina, electrónica o dispositivos de alta tecnología.

Actualmente los investigadores están colaborando con el sector empresarial para implementar el desarrollo en aplicaciones reales. Estas pueden darse tanto en el sector de la automoción como en la generación de energía de sistemas estáticos, como calderas o generadores auxiliares, o en el ámbito de los dispositivos portátiles.

Aun queda mucho trabajo pero ya se ha dado un primer gran paso en el mismo proyecto de investigación, al conseguir poner las nanopartículas de cobalto sobre un soporte comercial cerámico que se usa, de hecho, en muchos dispositivos industriales, de forma que para una primera implementación se trataría tan sólo de escalar el prototipo.

Otro éxito del dispositivo ha sido conseguir una buena distribución de las nanopartículas, las cuales para funcionar deben estar físicamente separadas. Elies Molins, investigador del CSIC, lo explica gráficamente. "Yo puedo tener un saco de estas nanopartículas pero ¿cómo las separo y las deposito una a una? ¿cómo evito los grumos? Para que funcionen bien las nanopartículas deben estar separadas".

La solución en este caso ha sido hacer crecer las nanopartículas dentro del aerogel, un material muy poroso y dentro del cual se introducen los precursores de las nanopartículas. La mezcla se aplica por impregnación sobre la cerámica. Al calentar el dispositivo por vez primera, las nanopartículas crecen dentro de los poros del aerogel. Son los mismos poros los que actuando como una 'rejilla' o una 'huevera' hacen que cada nanopartícula permanezca en su sitio, separada de las otras. Esta ingeniosa combinación entre aerogel y nanopartículas es otro de los hallazgos de los investigadores, que miran con optimismo el desarrollo de aplicaciones muy diversas.

Investigadores del CSIC y de la Universidad Politécnica de Catalunya han desarrollado un catalizador para obtener hidrógeno a partir de etanol. El dispositivo, que ya está patentado y se ha probado en laboratorio con éxito, puede ser la solución definitiva al transporte basado en hidrógeno. También se puede aplicar en sistemas estacionarios de obtención de hidrógeno para la industria química y energética, o en otras aplicaciones portátiles. Ahora buscan empresas interesadas en desarrollar aplicaciones.