Hidrógeno: Fotosíntesis artificial y combustible 'limpio'

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Actualizado el Sun Aug 29 2021

En el último capítulo, vimos que las baterías nos permiten reemplazar con electricidad el 71% de los combustibles derivados del petróleo. Eso aplica a automóviles, camiones y otros medios de transporte terrestre. Sin embargo, las baterías no pueden almacenar suficiente energía por kg para que los aviones o barcos sean eléctricos.

El hidrógeno puede ser útil y, una vez que sea lo suficientemente económico, ¡podrá usarse como combustible para automóviles! ¿Cómo? El hidrógeno contiene 128 veces más energía por kilogramo que las baterías Li-Ion.

Energía específica del hidrógeno y de las baterías Li-Ion

Normalmente, el hidrógeno (H) se manifiesta en la naturaleza como un par de átomos (H₂). Lo mismo pasa con el oxígeno (O₂).

El agua (H₂O) está hecha de hidrógeno y oxígeno. Probablemente nunca has visto el agua separarse en H₂ y O₂, ¿cierto? Esto se debe a que el agua es un compuesto estable. Separar H₂O requiere energía. Por lo tanto, podemos almacenar energía separando el agua (2H₂O) en 2H₂ y O₂ y luego obtener energía al unirlos nuevamente.

¿Combustible a partir del agua?

La idea es simple: utilizar electricidad limpia (de fuentes renovables o nuclear) para separar agua en un proceso llamado electrólisis.

Electrólisis

Más tarde, podemos volver a convertir el H₂ en electricidad usando lo que se conoce como pilas de combustible de hidrógeno:

Pilas de combustible de hidrógeno

¿Cómo se produce hidrógeno hoy en día?

Ha habido una demanda significativa de hidrógeno desde 1975. Debido a que el hidrógeno actualmente está hecho de gas natural, ¡producirlo causa el 2% de las emisiones globales de CO₂!

¿Por qué utilizar gas en lugar de energías renovables? Por el costo. Sin embargo, con innovación y un mayor despliegue de energía solar y eólica, los costos podrían reducirse mucho:

El precio del hidrógeno

¿Qué tiene que cambiar?

Higher electrolysis efficiency: ¡Cuanto más hidrógeno por unidad de energía, mejor!

\negrita{Higher compression efficiency}: Cada unidad de energía que gastamos en compresión esencialmente va al desperdicio, pero necesitamos comprimir el hidrógeno para encajarlo en tanques. Al final, es un gas.

\negrita{Higher fuel cell efficiency}: Cuanto más energía obtengamos de cada kilogramo de hidrógeno, mejor.

\negrita{Cheaper electrolysis}: La energía es sólo una parte del costo del hidrógeno. Los electrólitos necesitan ser entre un 20 y un 50% más baratos para cumplir con la predicción de la gráfica que mostramos antes de.

\negrita{Infrastructure}: Los gases son difíciles de transportar. Para evitar el enorme costo inicial de la construcción de tuberías, se podría producir H2 cerca de donde se utiliza. Esto es un intercambio porque construir muchos electrólitos más pequeños probablemente sería más caro que unos pocos grandes.

¿La fotosíntesis artificial puede ser de ayuda?

Eficiencia de la fotosíntesis

¿Qué pasaría si pudiéramos producir energía como lo hacen las plantas, pero de una mejor manera?

¿Qué insumos necesitan las plantas para crecer??


¿Cuáles son los productos de la fotosíntesis en las plantas?


Desde el punto de vista de un ingeniero, las plantas son máquinas que convierten el CO₂, el agua y la energía en azúcar y oxígeno.

Ecuación de la fotosíntesis

Los investigadores están trabajando para desarrollar la fotosíntesis artificial, una tecnología que convierte directamente agua, luz solar y aire en H₂ y O₂, ¡o incluso combustibles similares a los que se utilizan en los automóviles hoy en día!

Aunque se han hecho avances, hasta los investigadores que están trabajando en esto dicen que la fotosíntesis artificial no será una tecnología accesible en el futuro cercano o inclusive hasta dentro de 20 años..

El precio y la trampa de la batería de hidrógeno

¡Las baterías se volvieron más baratas!

Además de la innovación, el aumento en la demanda ha permitido la economía de escala por la cual las cosas se vuelven más baratas cuando existe mayor producción.

Por ejemplo, para hacer una bolsa de papas fritas, necesitas construir una granja de papas y una fábrica para producir papas fritas. Si haces 100 000 o más bolsas y divides el costo inicial entre todas, ¡cada bolsa se vuelve más barata!

Dado que esto ya ha pasado con las baterías de automóviles, es posible que sea más difícil para el hidrógeno llegar al mismo punto.

Conclusión

El hidrógeno podría reemplazar los combustibles derivados del petróleo para su uso en aviones y barcos, algo que las baterías no pueden hacer.

Hacer que la producción, compresión, almacenamiento y transporte del hidrógeno sea más barato podría tener un gran impacto en todo el ecosistema de energía y como efecto secundario, podría ayudar a evitar el 2% de las emisiones globales provenientes de la producción de hidrógeno que se generan hoy en día.

¡Necesitamos innovación!!

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