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Nuevos compuestos producirán hidrógeno usando la luzEl grafeno y el óxido de titanio, entre otros, se combinarán para separar átomos en las moléculas de agua

El Instituto IMDEA Materiales lidera un consorcio europeo que busca producir nuevos materiales híbridos de escala nanométrica combinando compuestos de carbono, como el grafeno, con otros inorgánicos, como el óxido de titanio. El resultado tendrá capacidad para separar moléculas de agua usando luz solar y producir hidrógeno de manera más eficiente.

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Representación esquemática de híbridos nanocarbono/inorgánico para producir hidrógeno por disociación fotocatalítica de agua. Fuente: IMDEA.

El Instituto IMDEA Materiales lidera un consorcio europeo de universidades, centros de investigación y empresas que busca producir nuevos materiales híbridos de escala nanométrica combinando compuestos de carbono, como el grafeno, con otros inorgánicos, como el óxido de titanio. 

Lo cuenta Juan José Vilatela, investigador de IMDEA, en un artículo publicado también por SINC. 

El resultado tendrá capacidad para separar moléculas de agua usando luz solar y producir hidrógeno de manera más eficiente. En estudios recientes se ha observado que estos nanohíbridos pueden ser hasta 25 veces más fotoactivos que materiales convencionales. 

El proyecto, denominado CARINHYPH y financiado por el 7º Programa Marco de la UE, tiene como fin producir nuevos materiales con mayor eficiencia fotocatalítica, combinando nanocarbonos –nanotubos de carbono y grafeno–, con inorgánicos fotoactivos como óxidos metálicos, también de tamaño nanométrico. 

El potencial de estos nuevos nanohíbridos radica principalmente en tres características. La primera son sus dimensiones nanométricas, que hacen que tengan un área superficial muy grande y, por lo

tanto, una mayor cantidad de superficie disponible para llevar a cabo la disociación de agua. 

La segunda es que el nanocarbono extiende el espectro de absorción de luz del híbrido y esto amplía la cantidad de energía solar que se puede captar para la reacción fotocatalítica. 

Otra ventaja es que durante la reacción de disociación se extiende la vida útil de la carga mediante la separación de la parte negativa –el electrón se transfiere al nanocarbono– de la positiva –el hueco se queda en el inorgánico–, evitando así su recombinación y permitiendo que completen la reacción fotocatalítica.

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Reparto internacional del trabajo 

Para poder materializar estos tres aspectos y obtener un híbrido con mayor eficiencia, que además pueda producirse a escala industrial y tener un impacto positivo en la sociedad, el proyecto cuenta con miembros con distintos perfiles. Los nanocarbonos se sintetizarán en la empresa Thomas Swan, suministrador de CNTs (nanotubos de carbono) y grafeno de alta pureza. 

Estos materiales serán adaptados en el laboratorio del profesor Maurizio Prato del INSTM para poder ser a continuación integrados con el inorgánico y formar el híbrido. La integración se llevará a cabo en IMDEA Materiales y las universidades de Cambridge y Münster, utilizando técnicas como deposición atómica por capas (ALD) e infiltración de giroides. 

Posteriormente se evaluará la transferencia de carga en la interfaz nanocarbono/inorgánico utilizando novedosas técnicas de espectroscopía de femto-segundos en la universidad de Erlangen y se evaluará la producción de hidrógeno de distintos híbridos. 

Con base en estos resultados, INAEL, una pyme española, construirá un reactor para demostrar el desempeño de los nuevos nanohíbridos en una escala semi-industrial. 

Como parte final del proyecto, los miembros del consorcio prepararán una hoja de ruta para la explotación industrial de estos materiales, teniendo en cuenta el análisis de ciclo de vida completo de los materiales y procesos de producción desarrollados por EMPA. 

El proyecto CARINHYPH comenzó en enero del 2013 y tendrá una duración de 3 años. El presupuesto total del proyecto asciende a 3,8 millones de euros, de los que el 75% provienen de la Comisión Europea. 

La iniciativa se enmarca dentro de las investigaciones que tratan de colocar al hidrógeno como una fuente real de energía. Este elemento tiene un potencial enorme para ello. Además de por su alto contenido energético, produce agua como producto de la reacción de combustión en lugar de CO2 como en el caso de los hidrocarburos. 

Uno de los retos en este campo está en la producción de hidrógeno de manera eficiente, es decir, obteniendo una mayor cantidad de energía comparada a la que se invierte en su obtención. Dentro de los métodos más prometedores se encuentra la separación de agua por fotocatálisis, en la cual un catalizador absorbe luz solar y lleva a cabo la descomposición de la molécula en hidrógeno y oxígeno, similar a la fotosíntesis que ocurre naturalmente en las plantas.

Una nueva tecnología de producción de hidrógenoAingeru Remiro ha desarrollado un proceso para obtener hidrógeno a partir del bio-oil en su tesis doctoral defendida en la UPV/EHU

Aingeru Remiro Eguskiza, ingeniero químico por la Universidad del País Vasco / Euskal Herriko Unibertsitatea, ha enmarcado su tesis

doctoral "Producción de hidrógeno mediante reformado con vapor de bio-oil. Integración en el proceso de las etapas térmica, catalítica y de captura de co2" en la búsqueda de un proceso para la producción de hidrógeno a partir del bio-oil, con un impacto sobre el medio ambiente menor que el de las rutas actuales.

El encarecimiento gradual del precio del petróleo y las consecuencias medioambientales negativas que supone su uso nos sitúan a las puertas de un cambio de modelo energético que deberá abordarse en las próximas décadas. Ante la evidente necesidad de encontrar una alternativa energética que sustituya, al menos parcialmente y de forma progresiva, a los combustibles fósiles en un futuro próximo, el hidrógeno se está revelando como una de las alternativas.

En la actualidad, el hidrógeno se obtiene mediante diversos métodos que requieren la separación el hidrógeno de otros elementos químicos como el carbono (en los combustibles fósiles) y el oxígeno (del agua). Los métodos empleados para dicho fin no son viables desde el punto de vista medioambiental y económico, respectivamente, para la producción masiva de hidrógeno.

El objetivo planteado en esta tesis fue contribuir al desarrollo a escala de laboratorio de un proceso para la producción de hidrógeno a partir del bio-oil, mediante reformado catalítico con vapor de agua. El bio-oil es una mezcla heterogénea de productos oxigenados procedente de la madera cuya transformación catalítica conlleva habitualmente problemas de operatividad y de desactivación del catalizador, ya que, durante su calentamiento, una fracción de los compuestos constituyentes del bio-oil forma un residuo sólido (denominado lignina pirolítica) que queda depositado en los conductos de entrada del reactor y en el propio reactor. El bio-oil empleado para las investigaciones de la tesis ha sido desarrollado en una planta de IK4-Ikerlan.

Un equipo de reacción de diseño propioPara solventar los problemas que genera el uso del bio-oil, se ha utilizado un equipo de

reacción de diseño propio, que consta de dos etapas: térmica y catalítica. En la etapa térmica (donde se calienta el bio-oil) tiene lugar la deposición controlada de la lignina pirolítica, lo que minimiza los problemas operacionales y la desactivación del catalizador. De esta manera, los compuestos que se obtienen de la etapa térmica son más susceptibles de ser transformados.

Adicionalmente, se ha integrado una tercera etapa en el proceso, la captura de CO2, con el objetivo de intensificar la producción de H2, aumentar su pureza y reducir las emisiones contaminantes asociadas. El proceso consiste en utilizar un adsorbente en el lecho de reacción, para la captura de CO2. "Al eliminar el CO2 del propio lecho de reacción, estamos favoreciendo el desplazamiento de los equilibrios de reacción, y en consecuencia, obteniendo mayor rendimiento y una mayor producción de hidrógeno", explica Remiro.

En este contexto, destaca que se ha comprobado la mejora que presenta la captura de CO2 en el lecho de reacción al lograr un hidrógeno de gran pureza, cercana al 100 %, a una menor temperatura de operación respecto al proceso sin captura de CO2.

Sobre el autorAingeru Remiro Eguskiza (Santurtzi, 1982). Doctor en Ingeniería Química, ha realizado su tesis doctoral en el Departamento de Ingeniería Química de la Facultad de Ciencia y Tecnología de la UPV/EHU, bajo la dirección de Ana G. Gayubo Cazorla y Javier Bilbao Elorriaga, catedráticos del Departamento de Ingeniería Química. El bio-oil empleado para las investigaciones de la tesis ha sido desarrollado en una planta de IK4-Ikerlan y ciertos análisis se han llevado a cabo en los Servicios Generales de Investigación de la UPV/EHU (SGIker)

Desarrollan proceso para convertir algas de aguas residuales en biocrudo

ESTADOS UNIDOS   Monday, February 18, 2013, 02:00 (GMT + 9)

Un equipo de la Universidad de Kansas comprobó la viabilidad de un proceso integrado para convertir algas de aguas residuales en biocrudo mediante la licuefacción hidrotérmica (HTL), lo que permitiría cultivar de manera sostenible biomasa de algas para la producción de biocombustibles.

Los resultados de la investigación fueron publicados en un artículo de la revistaEnergy & Fuels de la ACS.

Este estudio es el primero sobre licuefacción hidrotérmica de microalgas derivadas de aguas residuales, afirma el equipo. Los científicos descubrieron que la matriz de aguas residuales municipales y la biomasa de cultivo mixto resultante influyeron de manera significativa en la distribución de los productos de la licuefacción, y produjeron una mayor proporción de carbón vegetal, que puede ser un subproducto valioso.

"La tecnología tradicional de conversión de biomasa de algas en biocombustibles consiste principalmente en la extracción de lípidos o pirólisis para producir biodiésel, diésel renovable tratado con hidrógeno o bioaceite. Estas vías tecnológicas presentan inconvenientes importantes cuando se utilizan materias primas de algas. La extracción de lípidos requiere una deshidratación importante y disolventes orgánicos, situación que disminuye la rentabilidad de la producción de combustible y aumenta las preocupaciones ambientales", señala el estudio.

"Las vías de conversión de células enteras, tales como la pirólisis, alivian las preocupaciones ambientales derivadas de la extracción con solventes, pero aún requieren una deshidratación importante antes de la conversión. Una vía húmeda de conversión de células enteras, la licuefacción hidrotérmica (HTL), ha ganado popularidad en los últimos años.

"La HTL utiliza agua subcrítica como la fuerza motriz química para convertir la biomasa en biocrudo rico en carbono. Al emplear materias primas de microalgas, el rendimiento del biocrudo mediante el

proceso de HTL es entre un 5 y 30% mayor que el contenido inicial de lípidos de algas, ya que otros componentes celulares (además de los lípidos) se convierten en biocrudo. Los análisis económicos de la producción de aceite combustible, gasolina sintética y diésel a partir de astillas de madera con 50% en peso de humedad han demostrado que la pirólisis atmosférica rápida es menos costosa que la licuefacción a alta presión.

"Sin embargo, para la biomasa con alto contenido de agua, como las algas, los costos energéticos de la deshidratación pueden compensar la demanda de energía de los procesos de licuefacción. Asimismo, la HTL de algas produce un biocrudo con una composición y una densidad de energía que se asemejan más al crudo de petróleo que al bioaceite obtenido por pirólisis.

"[...] Si bien las aguas residuales municipales son aguas de fácil acceso y una fuente de nutrientes que puede apoyar el cultivo masivo de biomasa de algas, los efluentes de aguas residuales tienen concentraciones dinámicas de nutrientes que varían diariamente y por temporadas. Esta fuente variable de nutrientes es completamente diferente de las condiciones de crecimiento con nitrógeno limitado que se sabe produce biomasa con alto contenido de lípidos, del 40 a 70% de lípidos en peso. Las algas de aguas residuales tienen por lo general bajos contenidos de lípidos [10 al 29% del peso en seco (dw)] y de carbono (30 al 37% de peso en seco), y estas características pueden tener efectos sustanciales en la formación del producto de HTL y la composición del biocrudo", detalla el estudio.

El proceso desarrollado por los investigadores utilizó estanques de cultivo de algas experimentales con aguas residuales municipales como fuente de nutrientes. A los estanques abiertos se les incorporó la fuente de agua residual, lo que resultó en una comunidad de microalgas de cultivo mixto con diferencias distintas en comparación con los monocultivos fertilizados de los laboratorios.

El análisis GC/MS del biocrudo contenía una cantidad significativa de hidrocarburos de cadena lineal y ramificada, mono y poliaromáticos, además de ácidos grasos.

"Los subproductos podrían aumentar en gran medida la sostenibilidad y la cadena de valor de los biocombustibles de algas, y sumar mercados relacionados con el secuestro de carbono, mejoras del suelo, absorbentes y fertilizantes. Esta demostración prometedora requiere un mayor trabajo para optimizar el equilibrio energético del método de conversión en conjunto con la estrategia de cultivo y la determinación de la eficacia de los mercados de los subproductos identificados", concluyen los autores del estudio.

Se producirá hidrógeno con fines energéticos

Para ello se utilizará hidruros de magnesio que son amigables con el ecosistema.

Suministrarles energía a las zonas apartadas del país y a los diferentes sectores productivos del mercado es el objetivo de la alianza estratégica que hizo Ecowill Engineering Group (firma española) con McPhy Energy (compañía francesa), para producir y almacenar hidrógeno sólido en unos depósitos modulares.

Para llevar a cabo este proceso se instalaría en Bogotá la sede administrativa de esta sociedad y posiblemente la primera planta de extracción de este combustible, la cual se encargará de capturar de las energías renovables hidrógeno verde.

Para producir este insumo, se va a utilizar la fuente eólica, eléctrica o solar para convertirla en hidrógeno, mediante un electrolizador, una vez se haya generado se almacena en forma sólida por medio de hidruros de magnesio.

"Para responder a las necesidades del mercado colombiano se va a disponer de contenedores de seis metros por dos y medio de ancho, los cuales pueden llegar a almacenar hasta dos megavatios de energía, y en el caso que se pueda instalar un

intercambiador de calor externo, se lograría en ese mismo espacio guardar cerca de 23 megavatios", dice Guillaume D'Arche, Business Developer para España, Portugal y América del Sur de McPhy.

Estos depósitos de almacenamiento son seguros, tienen un rendimiento alto, son fácilmente transportables y poseen una buena característica de llenado y vaciado. Aplicaciones Los usos de este producto son diversos porque se puede volver a convertir en electricidad, mediante un motor de combustión, una pila de combustible o una turbina de gas.

Al estar en contenedores, su transporte se hace más fácil a los sitios alejados y a los sectores fabriles que utilizan el hidrógeno en sus procesos productivos. Se pueden utilizar también para aumentar la potencia energética del gas natural.

Para ello se inyecta entre el 5 y 7 por ciento de hidrógeno, lo que permite aumentar su poder calorífico y hacerlo más ecológico. Igualmente, puede ser aplicado como combustible en las estaciones de servicio para ser usado por los carros que funcionan con este elemento químico. "Este producto ha tenido buenos resultados en Francia, Italia, Alemania e Inglaterra, entre otros países, y se espera que en Colombia haya esta misma aceptación por parte de los consumidores, porque nuestro objetivo al traer esta tecnología al mercado colombiano es construir una economía del hidrógeno en esta zona de Suramérica y desarrollar las energías renovables en la región", observa D'Arche.

Posibles mercados La meta que tienen Ecowill y Mcphy es llevar este desarrollo a los sitios que requieren una solución energética lo más pronto posible. "Por eso esperamos reunirnos con las entidades del Estado que tienen a cargo velar para que llegue el fluido eléctrico a todas las comunidades, y ofrecerlo como una alternativa para las Zonas No Interconectadas (ZNI) del país. Por ejemplo, en los sitios donde tienen energía solar y en aquellas horas en las cuales no se dispone de esta fuente, podría suplirse con un depósito modular ofrecido por nosotros", destaca Philippe Junyent, gerente General para Colombia de Ecowill Engineering Group.