El hidrógeno se reconoce cada vez más como un elemento clave de la sostenibilidad energética futura, ofreciendo el potencial de una reducción drástica de las emisiones de gases de efecto invernadero. Su capacidad para liberar únicamente agua como fuente de energía, sin compuestos de carbono nocivos, lo sitúa en el centro de los esfuerzos globales de descarbonización. A pesar de estas notables propiedades, los métodos dominantes de obtención de hidrógeno en la actualidad dependen en gran medida de los combustibles fósiles, lo que carga todo el ciclo de vida de este portador de energía con una importante deuda ecológica. Esta paradoja de la producción "sucia" de un combustible "limpio" representa uno de los principales obstáculos en el camino hacia una economía del hidrógeno verdaderamente verde.

Enfoque innovador para la producción de hidrógeno del MIT

Los recientes avances científicos ofrecen luz al final del túnel. Un equipo de expertos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) ha presentado un proceso revolucionario que podría cambiar fundamentalmente la forma en que producimos hidrógeno, reduciendo significativamente su huella de carbono. Su método, que ha atraído la atención de la comunidad científica y la industria, utiliza materiales fácilmente disponibles: agua de mar y latas de aluminio recicladas, con la adición de una pequeña cantidad de una aleación metálica específica. El año pasado, los investigadores demostraron el concepto básico a nivel de laboratorio, demostrando que es posible generar hidrógeno gaseoso combinando estos componentes, incluyendo incluso cafeína en algunos experimentos iniciales para estudiar el impacto de diferentes sustancias. Sin embargo, la pregunta clave que surgió entonces fue si este prometedor procedimiento podría transferirse eficientemente de las condiciones de laboratorio a escala industrial y cuál sería su impacto ambiental real si se tuvieran en cuenta todos los pasos de producción y distribución.

Para responder a estas preguntas críticas, los científicos llevaron a cabo una evaluación integral del ciclo de vida (ACV), una metodología que evalúa los impactos ambientales de un producto o proceso "de la cuna a la tumba". Este estudio detallado abarcó cada segmento del proceso en una posible aplicación industrial. Se calcularon con precisión las emisiones de carbono asociadas con la adquisición y el procesamiento del aluminio, la reacción química del aluminio con el agua de mar para obtener hidrógeno y el transporte del combustible producido a los usuarios finales, por ejemplo, a las gasolineras donde los conductores podrían repostar sus coches de hidrógeno. Los resultados mostraron que este nuevo enfoque podría generar solo una fracción de las emisiones de carbono características de los métodos convencionales de producción de hidrógeno basados en combustibles fósiles.

Mínima huella de carbono confirmada por el estudio

En el estudio, cuyos resultados se publicaron recientemente en la prestigiosa revista Cell Reports Sustainability, el equipo informó que por cada kilogramo de hidrógeno producido con este proceso, solo se generarían 1,45 kilogramos de dióxido de carbono durante todo el ciclo de vida. Esta cifra resulta especialmente impresionante si se compara con los métodos tradicionales, como el reformado de metano con vapor, que emiten unos 11 kilogramos de dióxido de carbono por cada kilogramo de hidrógeno obtenido. Una huella de carbono tan baja sitúa a la nueva tecnología junto a otros métodos propuestos de producción de hidrógeno "verde", como la electrólisis del agua alimentada por energía solar o eólica, posicionándola como un serio competidor en la carrera por la producción sostenible de hidrógeno.

«Nuestros resultados demuestran que estamos a la par de las tecnologías de hidrógeno verde existentes», afirmó el autor principal del estudio, el Dr. Aly Kombargi, quien recientemente obtuvo su doctorado en ingeniería mecánica en el MIT. «Este trabajo destaca el enorme potencial del aluminio como fuente de energía limpia y ofrece una vía escalable para implementar hidrógeno de bajas emisiones en el sector del transporte y para alimentar sistemas energéticos remotos». Junto con el Dr. Kombargi, los coautores del estudio del MIT son Brooke Bao, Enoch Ellis y el profesor de ingeniería mecánica Douglas Hart, cuya experiencia contribuyó al desarrollo y evaluación de este innovador proceso.

La ciencia detrás del proceso: Cómo el aluminio libera hidrógeno

A primera vista, sumergir una lata de aluminio en agua no provoca una reacción química violenta. La razón de esto radica en que el aluminio, cuando se expone al oxígeno del aire, forma instantáneamente una fina pero muy resistente capa protectora de óxido de aluminio. Esta capa de pasivación impide una mayor reacción del metal. Sin embargo, si esta capa se eliminara o se rompiera, el aluminio puro muestra una reactividad excepcional con el agua. En tales condiciones, los átomos de aluminio descomponen eficazmente las moléculas de agua (H₂O), formando óxido de aluminio (o sus formas hidratadas como la boehmita) y, lo que es más importante, liberando hidrógeno gaseoso puro (H₂). Una ventaja significativa del uso de aluminio radica en su alta densidad energética.

«Una de las principales ventajas de utilizar aluminio es su densidad energética por unidad de volumen», explica el Dr. Kombargi. «Con una cantidad muy pequeña de combustible de aluminio, teóricamente es posible proporcionar una parte significativa de la energía necesaria para propulsar un vehículo de hidrógeno».

Método innovador de activación del aluminio

Durante el último año, el Dr. Kombargi y el profesor Hart han perfeccionado una receta para la producción de hidrógeno basada en aluminio. La clave de su éxito radica en el método para romper la capa protectora natural del aluminio. Descubrieron que tratando el aluminio con una pequeña cantidad de galio-indio, una aleación que contiene los metales raros galio e indio, podían "limpiar" eficazmente la superficie del aluminio, exponiendo el metal puro. Después de tal tratamiento, los investigadores mezclaron gránulos de aluminio así preparado con agua de mar y observaron una producción inmediata y abundante de hidrógeno puro. Además, se demostró que la presencia de sal en el agua de mar ayuda a la precipitación y separación del galio-indio después de la reacción. Esto significa que esta valiosa aleación puede recogerse y reutilizarse en ciclos posteriores de producción de hidrógeno, lo que hace que el proceso no solo sea más sostenible sino también económicamente más viable debido al menor consumo de metales costosos.

«Cuando presentamos la base científica de este proceso en conferencias, las preguntas más comunes que recibimos se referían al coste y la huella de carbono», recuerda el Dr. Kombargi. «Así que decidimos realizar un análisis exhaustivo para tener una idea clara».

Ciclo sostenible y perspectiva económica

En su nuevo estudio, el Dr. Kombargi y sus colegas realizaron un análisis detallado del ciclo de vida para cuantificar el impacto ambiental de la producción de hidrógeno mediante aluminio, rastreando cada paso, desde el origen del aluminio hasta el transporte del producto final, el hidrógeno. Para una ilustración práctica y comparación, eligieron la producción de un kilogramo de hidrógeno como unidad de referencia. «Con un kilogramo de hidrógeno, un coche de pila de combustible puede recorrer entre 60 y 100 kilómetros, dependiendo de la eficiencia de las propias pilas de combustible», señala el Dr. Kombargi, destacando la relevancia práctica de esta cantidad.

El análisis se llevó a cabo utilizando una herramienta de software especializada, Earthster, una plataforma en línea para la evaluación del ciclo de vida que utiliza una extensa base de datos de productos, procesos y sus emisiones de carbono asociadas. El equipo consideró varios escenarios diferentes para la producción de hidrógeno mediante aluminio. Compararon el uso de aluminio "primario", obtenido de la minería de bauxita y un procesamiento intensivo en energía, con el uso de aluminio "secundario", obtenido del reciclaje de productos de desecho de aluminio como las latas. También analizaron diferentes métodos de transporte del aluminio y del hidrógeno producido.

Tras evaluar una docena de escenarios diferentes, se identificó el que tenía la menor huella de carbono. Este escenario óptimo se basa en el uso de aluminio reciclado –una materia prima cuyo uso reduce significativamente las emisiones en comparación con la producción de aluminio primario– y agua de mar, un recurso natural que, además de ser fácilmente disponible, permite también una separación y reciclaje eficientes del galio-indio, ahorrando así recursos y reduciendo costes. Se determinó que este escenario, considerado en su totalidad, desde la adquisición de materias primas hasta la entrega del hidrógeno, generaría aproximadamente 1,45 kilogramos de dióxido de carbono por kilogramo de hidrógeno producido. También calcularon que el precio del combustible así producido sería de unos 9 dólares estadounidenses por kilogramo, lo que es competitivo con los precios del hidrógeno que se produciría con otras tecnologías verdes, como las que utilizan energía eólica o solar.

Visión de aplicación comercial y desarrollo futuro

Los investigadores predicen que, si este proceso bajo en carbono se avanza a un nivel comercial, la cadena de producción podría ser algo así: comenzaría con la recogida de aluminio de desecho de los centros de reciclaje. Este aluminio se trituraría luego en pequeños gránulos y se trataría con una aleación de galio-indio. Una de las ventajas significativas es que los conductores o distribuidores podrían transportar estos gránulos de aluminio pretratados como "combustible de aluminio", en lugar de transportar directamente hidrógeno, que como gas es volátil, requiere tanques especiales de alta presión o condiciones criogénicas, y es potencialmente peligroso de manipular. Estos gránulos se transportarían a "estaciones de hidrógeno" idealmente ubicadas cerca de una fuente de agua de mar. En estas estaciones, los gránulos de aluminio se mezclarían con agua de mar según fuera necesario, generando hidrógeno in situ. El usuario final podría entonces bombear directamente el gas producido a su vehículo, ya sea un coche con motor de combustión interna adaptado para hidrógeno o un vehículo de pila de combustible.

Todo el proceso genera también un subproducto a base de aluminio, el mineral boehmita (oxihidróxido de aluminio, γ-AlO(OH)). La boehmita es una valiosa materia prima industrial que se utiliza a menudo en la producción de semiconductores, componentes electrónicos, catalizadores, materiales refractarios y como relleno en plásticos y caucho. El Dr. Kombargi señala que si este subproducto se recogiera después de la producción de hidrógeno, podría venderse a los fabricantes de estos materiales, reduciendo así aún más los costes generales del proceso de producción de hidrógeno y aumentando su sostenibilidad económica.

«Hay muchos aspectos que considerar», dice el Dr. Kombargi. «Pero la parte más emocionante es que el proceso funciona. Y hemos demostrado que puede ser ambientalmente sostenible».

El grupo de científicos continúa desarrollando y perfeccionando este proceso. Recientemente diseñaron un pequeño reactor portátil, del tamaño aproximado de una botella de agua, que utiliza gránulos de aluminio y agua de mar para generar hidrógeno. La cantidad de hidrógeno producida es suficiente para alimentar una bicicleta eléctrica durante varias horas. Anteriormente ya habían demostrado que el proceso puede producir suficiente hidrógeno para propulsar un coche pequeño. El equipo también está explorando activamente las posibilidades de aplicar esta tecnología bajo el agua, trabajando en el diseño de un reactor de hidrógeno que utilizaría el agua de mar circundante para alimentar pequeñas embarcaciones o vehículos submarinos, abriendo nuevos horizontes para las operaciones submarinas autónomas. Esta investigación cuenta con el apoyo parcial del MIT Portugal Program, una iniciativa que fomenta la colaboración y la innovación.

Fuente: Massachusetts Institute of Technology