La eólica, la solar y el almacenamiento en baterías parecen ser una combinación ganadora para los sistemas eléctricos limpios, pero para dar el salto a un sistema energético sostenible es necesario otro ingrediente: los combustibles bajos en carbono.
El Laboratorio Nacional de Energías Renovables (National Renewable Energy Laboratory, NREL, por sus siglas en inglés) ha estado colaborando con empresas de servicios públicos y con empresas de nueva creación en la primera línea de los sistemas altamente renovables para presentar los argumentos técnicos y económicos a favor de los combustibles renovables en nuestra transición hacia una economía de energía limpia.
Con la continua reducción de costes de la electricidad generada de forma renovable a partir de fuentes como los sistemas eólicos y solares, el NREL está validando procesos de producción de hidrógeno a escala de servicios públicos que podrían proporcionar los combustibles limpios del mañana y las materias primas químicas para producir productos de alto valor y bajas emisiones de carbono.
Nueva propiedad intelectual para simplificar las reacciones del hidrógeno renovable
El hidrógeno renovable podría encajar en los futuros sistemas energéticos con bajas emisiones de carbono como una pieza de puzzle que falta: Puede producirse con energía eólica y solar cuando hay un exceso de oferta, podría trasladarse por tuberías para lograr un almacenamiento de energía a largo plazo y es un combustible útil por sí mismo.
Pero un dúo del NREL conocido por superar los límites de la conversión de energía en gas está innovando en otra dirección para el hidrógeno renovable, centrada en el reciclaje de flujos de residuos de carbono en productos energéticos clave.
El equipo del NREL se centra en la estrecha integración de dos procesos -la producción de hidrógeno renovable y las reacciones químicas posteriores- para reducir los costes de capital y mejorar la eficiencia del proceso global. En el camino, están demostrando enfoques novedosos que ayudarán a descarbonizar nuestro sistema energético.
Figura 1. Una familia de innovaciones para reducir el coste de las aplicaciones renovables Power-to-X
«El hidrógeno es un portador de energía versátil que está desempeñando un papel clave y creciente en los futuros sistemas de energía limpia», dijo Nancy Dowe, investigadora principal y co-investigadora principal de la investigación de reacciones de hidrógeno integradas del NREL. «Nuestras mejoras en las reacciones de hidrógeno aguas abajo ayudan a reducir la barrera para que las tecnologías disruptivas transformen los sectores con mucho carbono y aceleren el despliegue de los sistemas de hidrógeno».
El NREL ha desarrollado y licenciado aspectos de su propiedad intelectual para la producción integrada de hidrógeno; en conjunto, las innovaciones podrían reducir los costes del sistema de electrolizadores entre un 5% y un 10%.
Por ejemplo, una innovación reciente del NREL utiliza la corriente del electrolizador (y, por tanto, el ritmo de producción de hidrógeno) para controlar la proporción de hidrógeno cuando se mezcla con otras materias primas, como el dióxido de carbono, para un control preciso del proceso.
Otra mejora de la eficacia de las reacciones consiste en inyectar un hidrógeno «húmedo» más soluble, que no ha pasado por ninguna de las etapas de secado presentes en los sistemas de electrólisis comerciales. Al prescindir de la infraestructura de secado, un proyecto de electrolizador a escala comercial podría evitar decenas de miles de dólares en equipos superfluos y pérdidas sustanciales de eficiencia al secar el gas para usos finales no relacionados con el transporte.
Estas recientes mejoras forman parte de un esfuerzo más amplio del NREL, financiado por la Oficina de Tecnologías de Hidrógeno y Pilas de Combustible del Departamento de Energía de Estados Unidos, para reducir los costes de la electrólisis renovable y apoyar la visión H2@Scale del DOE para el hidrógeno limpio en múltiples aplicaciones y sectores económicos. La Oficina de Tecnologías de la Bioenergía del DOE financió el aspecto de conversión de residuos en energía del biogás para utilizar y reciclar los flujos de residuos de dióxido de carbono.
«Estamos eliminando el hardware caro e innecesario para simplificar todo el proceso», dijo Kevin Harrison, otro investigador principal y co-PI en la investigación de las reacciones de hidrógeno integradas del NREL. «Ahora mismo, estamos explorando nuevas aplicaciones energéticas que se beneficiarán de esta forma simplificada y mejorada de integrar los sistemas, desde la producción de gas natural renovable hasta la fabricación de proteínas para la alimentación o la producción de combustible de aviación sostenible».
La aplicación estrella de la maquinaria integrada de hidrógeno/residuos a energía de Dowe y Harrison es la producción de gas natural renovable (GNR).
El proceso utiliza microorganismos patentados proporcionados por Electrochaea GmbH para metabolizar el hidrógeno y el dióxido de carbono (CO2) residual en metano, un sustituto más sostenible del gas natural fósil. Como los mercados de carbono existentes incentivan el GNR, otras empresas en fase inicial están explorando todos los efectos del hidrógeno integrado.
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California ha creado el mercado de GNR más activo de Estados Unidos al emitir mandatos de combustible limpio y de reducción de emisiones. Estas normas han animado a los proyectos de GNR de todo el país a capturar el metano emitido por los importantes flujos de residuos de las plantas de biogás y a licuar o comprimir el gas para convertirlo en combustible para vehículos. Sin embargo, en muchos casos, la parte de CO2 de los residuos en descomposición se sigue liberando a la atmósfera.
El NREL está trabajando con un microorganismo unicelular criado selectivamente por su socio Electrochaea GmbH para integrar más estrechamente la tecnología del hidrógeno con el CO2 residual y reciclar los gases en GNR. Durante este proceso de biometanización, el hidrógeno renovable se combina con el dióxido de carbono y se introduce en el biorreactor, que alberga el biocatalizador para producir GNR. Al mejorar el CO2 de los flujos de residuos de biogás, la tecnología de Electrochaea casi duplica el rendimiento de GNR en comparación con las tecnologías estándar de separación de gases.
Uno de los primeros socios del NREL en este ámbito es Southern California Gas Company (SoCalGas), que tiene como objetivo alcanzar un 20% de gas renovable en su sistema para 2030. SoCalGas colaboró inicialmente con el NREL por las capacidades únicas del laboratorio en la producción de hidrógeno renovable. Para demostrar el proceso de biometanización, el equipo colaboró estrechamente con Electrochaea utilizando su diseño del sistema, el catalizador biológico, la lógica de los controles y la estrategia de dosificación de nutrientes del organismo.
Durante el diseño inicial y la puesta en marcha, los investigadores del NREL reconocieron oportunidades para innovar en la integración de sistemas entre el electrolizador productor de hidrógeno y el reactor de biometanización. Estas innovaciones se centran en la reducción de costes para permitir una adopción más temprana de los sistemas de hidrógeno y los procesos de reciclaje de CO2. Al conceder la licencia de la tecnología del NREL, SoCalGas está considerando ahora proyectos a escala comercial para crear un nuevo valor a partir de las emisiones de carbono residuales y el despliegue de sistemas de hidrógeno renovable a gran escala.
«La idea es mantener un equilibrio estable de carbono; si podemos confiar en el reciclaje de carbono en lugar de la extracción, podemos trabajar hacia industrias más sostenibles y productos energéticos de origen renovable», dijo Dowe.
Mientras California trabaja con el GNR, el equipo del NREL tiene otros proyectos que están en fase de propuesta: Un proyecto de GNR que utiliza la energía eólica y las granjas lecheras de Nueva Inglaterra; un enfoque de conversión de energía en gas a líquido para obtener combustibles renovables para el gasóleo y la aviación; una solución de bajo impacto para generar proteínas para carnes sintéticas; y un proceso sostenible para producir licores.
«Este proceso tiene mucho potencial, pero los distintos sectores en los que trabajamos requieren una gran validación antes de que las empresas de servicios públicos y los promotores de proyectos adopten la tecnología», dijo Harrison. «Nuestro objetivo es abaratar los costes, reducir el riesgo y proporcionar una validación independiente de los conceptos que subyacen a las reacciones de hidrógeno integradas, de modo que las empresas y los servicios públicos se sientan seguros al desplegar esta solución de energía limpia a corto plazo.»
Si el camino de la tecnología al mercado es demasiado lento, no es un obstáculo para el equipo del NREL. En lugar de esperar a que sus innovaciones se pongan de moda, el equipo llevará la tecnología a los socios, donde podrán experimentarla de primera mano en un sistema de investigación móvil a escala. Con un nuevo reactor de dos metros de altura, la tecnología del equipo está casi lista para salir a la calle.
Más información en: NREL / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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