Sin embargo, aún quedan por resolver retos tanto científicos como tecnológicos para hacer que los ciclos termoquímicos sean competitivos.

La investigación llevada a cabo en CIC energiGUNE pretende desarrollar módulos de producción de hidrógeno descentralizados para integrarlos, por ejemplo, en entornos industriales con el calor residual como fuente de calor.

Pero empecemos por lo básico.

La división termoquímica del agua: ¿antigua pero valiosa?

La termólisis del agua es como la electrólisis del agua, pero utilizando calor en lugar de electricidad.

Todos sabemos que la fórmula química del agua es H2O, ¿verdad? Pues bien, en principio, si simplemente calentamos lo suficiente, podemos dividir el agua en hidrógeno (H2) y oxígeno (O2). Sin embargo, esta termólisis directa del agua requiere temperaturas superiores a 2500ºC, lo que la hace inadecuada para las aplicaciones de la vida real.

Este problema principal se resuelve utilizando un cierto número de reacciones químicas para dividir la descomposición del agua en más pasos. Los reactivos se regeneran en un bucle cerrado mientras que la reacción química global sigue siendo la de la termólisis directa del agua. El resultado es lo que comúnmente se denomina ciclo termoquímico de división del agua (TWSC). Gracias a los TWSC, la temperatura de funcionamiento disminuye y el hidrógeno y el oxígeno se producen en pasos diferentes, lo que elimina la necesidad de separar los gases a alta temperatura y reduce el riesgo de accidentes.

Este truco no es nada nuevo.

La idea de los TWSC se remonta a 1966. El interés por esta tecnología aumentó en los años 70 y 80 debido a la crisis del petróleo. En esa época, se propuso una gran cantidad de TWSC con la idea principal de producir hidrógeno a partir de la energía nuclear.

Desde su concepción, los TWSC se han considerado la alternativa natural a la electrólisis del agua para la producción de H2 a gran escala. Una de las principales ventajas que presentan los TWSC es que no tienen catalizador y no dependen de elementos caros y raros.

La investigación sobre los TWSC se disparó a principios del siglo XXI, cuando la conciencia del cambio climático creció rápidamente entre la comunidad científica. En la actualidad, los avances tecnológicos logrados en los colectores y concentradores de energía solar hacen que el acoplamiento de los TWSC con la energía solar concentrada sea especialmente interesante para la producción de hidrógeno verde. Además, la utilización del calor residual tiene un gran potencial para la producción descentralizada de hidrógeno en las proximidades de industrias o centrales eléctricas. La creación de módulos TWSCs podría ayudar a disminuir la huella global de CO2 del proceso industrial y encontrar aplicación en las redes inteligentes, junto con electrolizadores y unidades de almacenamiento de energía térmica (TES).

Muchos candidatos para una tecnología (todavía) más ecológica

Se han propuesto más de 300 ciclos termoquímicos de separación de agua, pero sólo unos pocos han sido investigados en profundidad. Además, a pesar de sus 50 años de historia y su gran potencial, el nivel de preparación tecnológica (TRL) de los TWSC es todavía bastante bajo, especialmente si se compara con los electrolizadores.

Los ciclos termoquímicos pueden implicar de 2 a 5-6 pasos con temperaturas de trabajo que oscilan entre 500 ºC y 2000 ºC. En general, cuanto menor sea el número de pasos, mayor será la temperatura requerida y viceversa.

Los ciclos de varios pasos (nº pasos ≥ 3) son los más antiguos y los más estudiados. Esto se debe a sus temperaturas de funcionamiento relativamente bajas (T < 900 ºC), que los hicieron atractivos cuando la investigación sobre los TWSC se centraba principalmente en el sector nuclear.

Un ejemplo clásico es el ciclo S-I (azufre-yodo) introducido por General Atomics (GA) en 1974, que tiene una temperatura máxima de funcionamiento de 850ºC. Otros ciclos famosos de varios pasos son el Cu-Cl (cobre-cloro), el Fe-Cl (hierro-cloro) y el Mg-Cl (magnesio-cloro). Muchos de estos ciclos también están disponibles como ciclos termoquímicos híbridos, lo que significa que incluyen al menos un paso electrolítico. Esto permite reducir la temperatura, pero añade más complejidad al proceso global.

Los ciclos de varios pasos podrían utilizar tanto la energía solar concentrada como el calor residual industrial para producir hidrógeno verde a gran escala. Por ejemplo, las estimaciones preliminares del ciclo S-I acoplado a la energía solar concentrada sugieren eficiencias del 42%, 52% y 60%, con temperaturas máximas de 827 ºC, 900 ºC y 1000 ºC, respectivamente. Sin embargo, el principal inconveniente de todos estos ciclos de varios pasos es que implican reactivos y/o productos altamente corrosivos (por ejemplo, H2SO4 y HCl calientes) o peligrosos (Cl2) que pueden comprometer la viabilidad de la aplicación del proceso comercial.

Por otro lado, los TWSC de dos pasos no presentan estos problemas, ya que sólo dependen de los óxidos metálicos. El mecanismo general es sencillo. Durante un primer paso de reducción térmica, el óxido metálico se calienta hasta que el metal se reduce; se forma un óxido de menor valencia y el oxígeno molecular se libera de la red cristalina. A continuación, el sistema se enfría y reacciona con vapor de agua a una temperatura más baja; durante este paso de separación del agua, el metal se oxida para regenerar el óxido de alta valencia inicial, mientras que se produce H2.

Se han investigado experimentalmente varios óxidos metálicos que implican pares redox volátiles (por ejemplo, ZnO/Zn, SnO2/SnO) o no volátiles (por ejemplo, Fe3O4/FeO, MnO/Mn3O4, ferritas espinela mixtas y perovskitas). Algunos de ellos, especialmente el ciclo de CeO2, también se han probado en concentradores solares a pequeña escala. Sin embargo, el grado de preparación tecnológica de los ciclos de dos pasos es menor que el de los antiguos ciclos de varios pasos.

Uno de los principales obstáculos es que la etapa de reducción suele requerir temperaturas muy elevadas (normalmente por encima de 1400 ºC) que sólo pueden alcanzarse mediante la irradiación directa de altos flujos de radiación solar concentrada, con la consiguiente limitación relacionada con los lugares de producción. A pesar de que se prevén eficiencias elevadas de hasta el 60%, el alto requerimiento de energía y la baja carga de material activo conducen prácticamente a eficiencias pobres y a un alto coste del hidrógeno. Además, las altas temperaturas afectan negativamente a los rendimientos de los materiales a largo plazo y plantean importantes retos en la realización de los reactores termoquímicos.

Investigación sobre TWSCs en CIC energiGUNE

El grupo de Reacciones Químicas en Estado Sólido de CIC energiGUNE está trabajando en ciclos termoquímicos basados en óxidos metálicos que puedan operar a una temperatura lo más baja posible, acercándose a los 500 ºC. El objetivo final es el desarrollo de módulos de producción de hidrógeno descentralizados para ser integrados, por ejemplo, en entornos industriales con calor residual como fuente de calor.

La actividad de investigación se centra en:

• La optimización de óxidos metálicos mixtos de bajo coste combinados con carbonatos para disminuir las temperaturas de funcionamiento y mejorar la estabilidad de los materiales a largo plazo. Esto incluye la síntesis de materiales reactivos y su modificación por sustitución atómica y adición de nanopartículas. 
• El uso de residuos industriales ricos en metales para incorporarlos como materia prima para la producción de hidrógeno. El objetivo es reducir el coste de los materiales y mejorar la circularidad del proceso global de producción de H2.
• El uso de un método de calentamiento no convencional para potenciar la producción de hidrógeno a bajas temperaturas y aumentar la eficiencia del proceso.
  
  

En conclusión, se espera que el hidrógeno verde tenga un papel clave en la transición hacia una sociedad neutra en carbono durante las próximas décadas. Sin embargo, hoy en día sólo representa alrededor del 1% de la producción mundial de energía, mientras que alrededor del 95% sigue proviniendo de los combustibles fósiles. Así que aquí está el gran problema: ¿cómo hacer que el hidrógeno renovable sea económicamente competitivo y totalmente sostenible? Como la mayoría de los problemas complejos, tampoco éste tiene una solución sencilla. Más bien, es probable que la respuesta provenga de una combinación de diferentes tecnologías, que pueden ser más o menos adecuadas dependiendo de los contextos específicos.

Los TWSC de dos pasos basados en óxidos metálicos representan una tecnología aún verde e inexplorada que puede contribuir a disminuir el coste de la producción de hidrógeno verde aprovechando el calor residual industrial y los materiales de desecho.  

No cabe duda de que aún hay margen para mejoras significativas, y CIC energiGUNE está comprometido con esta causa.