Áreas de innovación emergentes en la industria del hidrógeno
En esta nueva entrada del blog de SynerHy, quisiéramos destacar varios aspectos del informe de GlobalData «Hydrogen Economy: key disruptive forces for the global transition to sustainable energy» y, especialmente, cuatro áreas de innovación emergentes basadas en las cifras de concesión de patentes de los últimos años, según la EPOrg:
- Motores ICE de hidrógeno
- Combustibles sintéticos (e-fuels) basados en H2
- Pila de combustible de óxido sólido (SOFC)
- Nanocristales de grafeno para el almacenamiento de hidrógeno
Las pilas de combustible, los sistemas de propulsión alternativos y las fuentes de energía renovables harán del hidrógeno un vector energético fundamental en la transición mundial hacia una industria y sociedad sostenible. El boom de la economía del hidrógeno está respaldado por la necesidad mundial de energía sostenible y su desarrollo puede acelerarse gracias a tres factores principales: las cero emisiones de carbono, el descenso de los costes de producción y el hecho de ser un producto sustitutivo.
La siguiente imagen muestra las diferentes áreas de innovación del hidrógeno, diferenciadas por emergentes, en desarrollo y en un alto grado de desarrollo.
Motores ICE de hidrógeno
En anteriores entradas del blog de SynerHy, hemos analizado los motores ICE propulsados por hidrógeno y su nivel de progreso e importancia para acelerar la descarbonización del sector en los sistemas de propulsión de los vehículos pesados. Para reducir las emisiones de carbono, los vehículos existentes serán rediseñados a fin de incorporar motores de hidrógeno o modificados para utilizar combustibles basados en el hidrógeno. Ideas disruptivas a destacar:
- Movilidad de impacto cero: el impacto de los motores de combustión interna de hidrógeno en el medio ambiente es ínfimo, ya que los gases de combustión contienen esencialmente vapor de agua. Estos motores no emiten gases de efecto invernadero perjudiciales para el clima ni contaminantes perjudiciales para la salud, puesto que el combustible de hidrógeno se produce a partir de energías renovables y agua.
- Eficiencia térmica: la alta temperatura de autoignición del hidrógeno permite aumentar las relaciones de compresión en un motor de hidrógeno. La eficiencia térmica de estos motores es mucho mayor que la de los motores de gasolina y diésel.
- Ignición rápida: el amplio rango de inflamabilidad y la baja energía de ignición del hidrógeno permite a los motores de hidrógeno funcionar así como iniciar mezclas pobres asegurando una ignición fácil y rápida.
- La combustión del H2 emite vapor de agua. Las trazas de CO2 procedentes del aceite lubricante son casi nulas, al igual que las emisiones de NOx como consecuencia de la baja temperatura de combustión alcanzada.
Figura 1 – Motor ICE de H2 B6.7
Figura 2 – Camión de H2 de 18 t de KEYOU
Varias empresas han anunciado el lanzamiento de motores de hidrógeno H2 ICE para vehículos comerciales, como Toyota, Keyou, Cummins o la china Yuchai International Limited, como ya comentamos en anteriores artículos del blog.
Combustibles sintéticos (e-fuels) basados en el hidrógeno
Los combustibles sintéticos son un tipo de combustibles de sustitución. El hidrógeno, obtenido a partir de fuentes de energía eólica, solar y nuclear, se combina con dióxido de carbono o monóxido de carbono capturado de la atmósfera. Los e-fuels basados en el hidrógeno pueden utilizarse para reducir las emisiones de CO2 en sectores que no puedan electrificarse directamente, como por ejemplo en la aviación de larga distancia, como materia prima en la producción de productos químicos, en la producción de acero y en los procesos industriales de alta temperatura. Ideas disruptivas a destacar:
- Almacenamiento y transporte más fáciles: el hidrógeno puede utilizarse para sintetizar combustibles basados en hidrocarburos mediante la adición de carbono procedente del CO2. Estos e-fuels son más fáciles de almacenar y transportar que la electricidad o el hidrógeno en su estado puro.
- Sustitutos directos: los e-fuels poseen las mismas propiedades y niveles de eficiencia que los combustibles fósiles en pueden ser quemados en procesos de combustión y motores convencionales, sustituyendo de forma directa a dichos combustibles.
- Respetuosos con el medio ambiente: los e-fuels emiten muchos menos óxidos de nitrógeno y partículas que los combustibles convencionales y son neutros desde el punto de vista medioambiental. No se producen gases de efecto invernadero adicionales mientras se están utilizando.
En los últimos años, el número de patentes en este campo ha aumentado exponencialmente. Amazon y Porsche (proyecto de producción en el desierto del Atacama chileno), entre otros, están invirtiendo en el desarrollo de estos ecocombustibles.
Pila de combustible de óxido sólido (SOFC)
Las pilas de combustible de óxido sólido (o SOFC) producen electricidad directamente a partir de la oxidación de los combustibles. Estas pilas tienen como material electrolítico óxido sólido o materiales cerámicos. Las principales ventajas de esta clase de pilas de combustible son su alto rendimiento combinado de calor y electricidad, su estabilidad a largo plazo, la flexibilidad del combustible, sus bajas emisiones y su coste relativamente bajo. Su mayor desventaja es la elevada temperatura de funcionamiento, lo que implica mayores tiempos de arranque y problemas de compatibilidad mecánica y química.
La eficiencia del combustible puede mejorarse si se aprovecha el calor residual que producen las pilas SOFC para alimentar los sistemas de calefacción central. Ideas disruptivas a destacar:
- Flexibilidad del combustible: a diferencia de las pilas de combustible PEM, que requieren hidrógeno puro como combustible, las pilas SOFC pueden trabajar con hidrógeno y monóxido de carbono, así como con combustibles basados en hidrocarburos, como gas natural y carbón gasificado, lo que ofrece una mayor flexibilidad de combustibles.
- Generación de energía: la SOFC se ha convertido en una tecnología fundamental para la generación de energía debido a su alta eficiencia en la conversión de combustible en energía junto a una mínima influencia adversa en el medio ambiente.
- Alta temperatura: las SOFC pueden funcionar a temperaturas más altas que las pilas de combustible PEM. Además, pueden combinarse con una turbina de gas con el fin de aumentar su eficiencia. Si se utiliza la recuperación del calor residual, la eficiencia aumenta aún más.
Información obtenida de Bosch
Nanocristales de grafeno para el almacenamiento de hidrógeno
Por último, nos gustaría señalar una forma emergente y al mismo tiempo disruptiva de almacenamiento de hidrógeno a través de la tecnología de nanocristales de grafeno.
Los nanocristales de grafeno son materiales en estudio para el almacenamiento de hidrógeno. Estos materiales son componentes intermetálicos que presentan intersticios con una energía de enlace adecuada para el hidrógeno, lo que permite su absorción o desorción a temperatura ambiente y presión atmosférica. Gracias a su enorme capacidad de adsorción, su excelente rendimiento catalítico, su respeto por el medio ambiente y su abundante disponibilidad, los materiales basados en el grafeno son alternativas adecuadas para el control de los contaminantes ambientales y para los sistemas relacionados con la energía, especialmente en lo que respecta a la generación y el almacenamiento de hidrógeno. Ideas disruptivas a destacar:
- Estabilidad y transporte: los nanocristales de grafeno para el almacenamiento de hidrógeno son respetuosos con el medio ambiente, ligeros, flexibles y térmica y químicamente estables. Su gran resistencia mecánica facilita el transporte a larga distancia.
- Absorción de alta densidad: los nanocristales envueltos en grafeno pueden absorber químicamente el gas hidrógeno bombeado a densidades más altas que las que se pueden alcanzar en un tanque de combustible de gas hidrógeno comprimido con las mismas presiones.
Los investigadores de Air Liquide afirman que los materiales catalizados a base de grafeno para el almacenamiento de hidrógeno en estado sólido son prometedores y permiten absorber y desorber el hidrógeno a temperatura ambiente. Existen estudios de pilas de combustible cuya eficiencia y estabilidad es mucho más elevada gracias al grafeno.
Conclusiones
A la hora de analizar el interés por la innovación en el desarrollo del hidrógeno de cara al futuro, las patentes son un indicador muy sólido. En este artículo, SynerHy destaca la innovación relacionada con la movilidad, el almacenamiento y la conversión de H2 en energía. Las pilas de combustible, los sistemas de propulsión alternativos y las fuentes de energía renovables harán del hidrógeno una parte fundamental para la transición global hacia la sostenibilidad.
El boom de la economía del hidrógeno está respaldado por la necesidad mundial de energía sostenible y su desarrollo puede acelerarse gracias a tres factores principales: las cero emisiones de carbono, el descenso de los costes de producción y el hecho de ser un producto sustitutivo. Confiamos en que la información ofrecida sobre las áreas emergentes de innovación en este blog resulte útil para el lector.
SynerHy, powering net zero!