El proyecto Anemel recientemente logró un gran avance en la forma de producción sostenible de hidrógeno verde de hidrógeno verde de fuentes de agua de baja calidad.
El hidrógeno verde tiene un gran potencial para un viaje a net cero. Sin embargo, los métodos de producción tradicionales para esto demuestran ser largos, costosos e ineficientes. Ahora, los investigadores buscan nuevas formas de producir hidrógeno verde a partir de fuentes de agua de baja calidad, como el agua de mar y las aguas residuales.
Financiado por el Consejo Europeo de Innovación, Proyecto Anemel, dirigido por la Universidad de Galway en Irlanda, tiene como objetivo desarrollar electrolizadores eficientes utilizando tecnología renovable. Los electrolizantes utilizan materias primas no críticas dentro de todos los componentes básicos, incluidos los electrocatalizadores y las membranas. Esto reduce el costo de los componentes electrolizadores, mejora la reciclabilidad, reduce los desechos y proporciona una ventaja competitiva.
El proyecto está dirigido por la Universidad de Galway, pero tiene asociaciones estrechas con investigadores de nueve organizaciones en toda Europa. Recientemente, con la ayuda de nuestros socios, el proyecto ha alcanzado varios hitos importantes en nuestro viaje para lograr una producción de hidrógeno más rentable, sostenible y eficiente. Para obtener más información, hablamos con el coordinador del anemel Dr. Pau Farràs.
¿Podría explicar en detalle sobre el proyecto Anemel y su objetivo principal?
El objetivo de Anemel es desarrollar electrónica de agua. Este es un instrumento que utiliza electricidad para descomponer el agua en oxígeno e hidrógeno. Esta es una vía importante para la economía de hidrógeno, ya que hay otros tipos de tecnologías que pueden usarse para obtener hidrógeno, pero el motor de electrodos de humedad se puede combinar con energía renovable para producir hidrógeno que no emite carbono.
Muchas compañías comercializan la electrónica de agua, y existen varios tipos dependiendo de la operación y sus componentes. El electro de agua no es nuevo, y algunas operaciones se remontan a 100 años. Uno de los principales problemas con los agentes electrónicos de agua es el uso de bases fuertes como el hidróxido de potasio y el hidróxido de sodio a altas concentraciones corrosivas y peligrosas. Por lo tanto, construir plantas grandes se convierte en una grave preocupación de salud y seguridad. Por el contrario, los nuevos electrolitros de membrana de electrolitos de polímero (PEM) requieren agua ultra pure para funcionar. En ambos casos, el agua debe purificarse al nivel más alto posible para garantizar la electrólisis estable.
Anemel tiene como objetivo desarrollar componentes que ingresen a los electrodos (electrodos y membranas) que son compatibles con las impurezas en el agua. Hacemos esto a través de un enfoque paso a paso para aumentar los aspectos desafiantes de la operación.
Los electrolitros de membrana de intercambio de aniones (AEM) típicamente disponible funcionan utilizando soluciones concentradas de hidróxido de potasio. Esto no es tan malo como la vieja electrólisis alcalina, pero es algo a evitar. En Anemel, el primer desafío es reducir la concentración de hidróxido de potasio, reduciendo el riesgo y la corrosión de los agentes eléctricos. Esto hace que sea fácil de operar y económico.
La segunda etapa es operar el electrolizador en las mismas condiciones que el electrolizado PEM. El problema con PEM electrolitamente es que requiere el uso de metales preciosos como Iridium, Rutenio y Platino, que son muy caros. Para lograr la producción de hidrógeno a gran escala, muchos de estos metales preciosos deben usarse, que no son muy abundantes. Las membranas de intercambio de aniones pueden usar metales más baratos y ricos, pero deben construirse de una manera que pueda usarse en condiciones de agua ultrapura.
El último paso es trabajar con agua impura. En nuestro caso, la forma de definir agua impura es agregar sal. Tenemos una concentración de sal que es muy similar a la sal marina. La idea es que muchas corrientes impuras, o corrientes de agua, que no compiten con el agua potable (mar, mar, aguas residuales, etc.), contienen sal. Me gustaría demostrar que este electrolizado se puede operar en condiciones saladas.
Hay razones específicas por las que elegí concentrarme en mejorar el AEM electrolitorio sobre PEM. La sal es cloruro de sodio, y cuando el electrolito en el agua contiene cloruro, la reacción de las moléculas de agua oxidadas compite con la oxidación de iones de cloruro al cloro. Este es un gas corrosivo que destruye los componentes de los agentes electrónicos. Para evitar esta reacción y minimizar el riesgo, esencialmente debe operar a partir de pH neutral. Si desea operar el PEM electrolitis en condiciones ácidas, la diferencia entre los iones de cloruro y el agua oxidada es muy pequeña. Esto no tiene mucho tiempo para hacer cirugía. Porque si comete un error o degradas el catalizador hasta cierto punto, oxidará el cloruro a gas cloro muy fácilmente en lugar de la reacción que quieres ocurrir. Es por eso que funciona en estas condiciones AEM, en contraste con PEM.
En resumen, queremos desarrollar un electrolizador que sea más robusto que los electrolizadores disponibles en el mercado hoy en día. La única forma de lograr los precios de producción de hidrógeno limpio que compiten con el hidrógeno producido con combustibles fósiles es desarrollar electrolizadores altamente robustos y duraderos. Además, es importante desarrollar componentes que sean menos susceptibles a la descomposición para extender la vida útil de estas tecnologías.
¿Puede resaltar los resultados recientes del proyecto?
Desde una perspectiva de electrolizador, nuestro objetivo principal es desarrollar un electrolitro con 1kW de potencia. Para preparar un electrodoméstico de 1kW que produce suficiente hidrógeno verde, varias partes del electrolizador tuvieron que ser diseñadas para lograr esto con muy alta eficiencia. Para hacer esto, los socios de la Federe de Lausana (EPFL) de Ecole Polytechnic en Suiza pudieron diseñar una unidad de 1kW y usar simulaciones para encontrar la configuración correcta para optimizar la operación para tener una muy buena eficiencia.
El equipo de EPFL simulaba un conjunto de electrodo de membrana de 1 x 1 cm² (MEA) basado en materiales disponibles comercialmente. Las medidas se forman en capas, como sándwiches. El centro es una membrana, con un catalizador cubierto en ambos lados. La membrana separa el gas de hidrógeno y oxígeno producido durante el proceso de electrólisis. Los catalizadores aceleran las reacciones electroquímicas. Cada reacción secundaria requiere un material diferente exclusivo de la evolución de hidrógeno y oxígeno.
Los investigadores crearon este modelo computacional teniendo en cuenta ciertos parámetros simples, como el grosor y la temperatura de la membrana. Entre otras cosas, el equipo descubrió que el PH es el parámetro más influyente en el rendimiento de estos electrolizadores. Los resultados de los estudios de ensamblaio de electrodos de membrana simulados se publicaron en un artículo revisado por pares.
Además, se han hecho avances en relación con los elementos de la pila del electrolizador. La pila consta de diferentes células, y para estos electrolitros, cinco células crean la pila. Múltiples módulos celulares le permiten generar más hidrógeno agregando más células o pilas. Para examinar los componentes que ingresan a cada celda, en lugar de mirar toda la pila, solo puede usar una celda para examinar su comportamiento y componentes. Esto se realizó operando un sistema de un solo célula en condiciones saladas junto con un investigador asociado de Tu Berlín en Alemania y un EPFL en Suiza.
En otro resultado importante, el grupo EPFL dirigido por el profesor Xile Hu pudo demostrar el funcionamiento de los sistemas de membrana de electrones de membrana de intercambio de aniones (AEMWE) que usan agua pura a densidades de corriente extremadamente altas, lo que resulta en una mayor producción de hidrógeno. Esta es una de las principales ventajas sobre la tecnología de 100 años que opera a densidades actuales muy pequeñas. Esto significa que para la misma cantidad de hidrógeno producido, hay una cantidad mucho mayor y un campo de tecnología. Este estudio, publicado en Angewandte Chemie, demostró AEMWES que operaba a una densidad de corriente ultra alta de más de 800 horas, sin degradación en el rendimiento. En comparación, los electrolitros de referencia de vanguardia mantienen dicha densidad de corriente por solo unos pocos segundos. Esto representa un aumento impresionante de 500,000 veces el rendimiento.
Nuestro equipo también está trabajando en el diseño del electrocatalizador. Este es un componente que se sienta junto con la membrana. Los electrodos en la pila AEMWE representan una participación significativa de los costos generales de electrolos. Por lo tanto, muchos estudios han avanzado al desarrollo de catalizadores nuevos, eficientes y rentables para electrodos que pueden funcionar bien en entornos alcalinos, lo que lleva a costos reducidos y un mejor rendimiento.
¿Cuáles son sus principales prioridades para el futuro?
Hasta ahora, hemos operado principalmente a concentraciones de hidróxido más bajas que el AEMWE tradicional. La prioridad para el resto del proyecto es usar agua pura y agua salada para trabajar la pila. Se centra en el desarrollo continuo de electrocatalizadores y membrana para que pueda funcionar bajo estas condiciones.
Además, si se mueve de una sola celda al nivel de pila, debe comenzar a generar más cantidades. Por lo tanto, ahora debemos expandir los catalizadores más activos y las mejores membranas que estamos haciendo ahora. En lugar de producir un catalizador a escala MG y una membrana de escala CM², debe pasar por unos pocos gramos de catalizador y una membrana de medidor cuadrado. Este proceso de escala requiere una investigación y un desarrollo exhaustivos, lo que le permite ampliar el proceso y cumplir con la circularidad de los diversos componentes que desea generar.
¿Qué tan importante es la colaboración en su trabajo?
La colaboración es importante como vio, como vio, hay diferentes componentes y es imposible que un grupo u organización se ocupe de todo. En los fabricantes de electrolyzer, la mayoría de las veces, la experiencia radica en el ensamblaje de componentes comprados en otros lugares. No desarrollan todo desde cero porque requieren una amplia gama de habilidades y conocimientos. Colaborar con diferentes expertos de diferentes instituciones es la única forma en que se puede lograr.
Las asociaciones con las compañías del proyecto son extremadamente beneficiosas cuando se trata de ampliar debido a la experiencia obtenida de la expansión de los productos anteriores. Es esencial que sus opiniones sobre cómo debemos expandirnos y ayudar a cerrar la brecha entre la academia y la industria.
Este artículo también se presentará en la 22ª edición de trimestralmente Publicación.
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