Con la energía renovable cada vez más barata, existe un ímpetu creciente para encontrar formas de almacenarla económicamente. Las baterías pueden manejar flujos a corto plazo en la producción, pero es posible que no puedan manejar déficits a largo plazo o cambios estacionales en la producción de energía. El hidrógeno es una de varias opciones que se están considerando y que tiene el potencial de servir como un puente a más largo plazo entre períodos de alta productividad renovable.
Pero el hidrógeno viene con sus propios problemas. Obtenerlo dividiendo el agua es bastante ineficiente desde el punto de vista energético, y almacenarlo durante largos períodos puede ser un desafío. La mayoría de los catalizadores que producen hidrógeno también funcionan mejor con agua pura, que no es necesariamente un elemento fácil de obtener ya que el cambio climático está aumentando la intensidad de las sequías.
Un grupo de investigadores con sede en China ha desarrollado ahora un dispositivo que puede generar hidrógeno cuando se inicia con agua de mar; de hecho, el dispositivo debe estar sentado en agua de mar para funcionar. El concepto clave para que funcione le resultará familiar a cualquiera que entienda cómo funciona la mayoría de las prendas impermeables.
puedo respirar
La ropa impermeable y transpirable se basa en una membrana con poros cuidadosamente estructurados. La membrana está hecha de un material que repele el agua. Tiene poros, pero son demasiado pequeños para permitir el paso del agua líquida. Pero son lo suficientemente grandes como para que puedan pasar moléculas de agua individuales. Como resultado, el agua en el exterior de la ropa permanece allí, pero cualquier transpiración en el interior que se evapore fluirá a través de la tela y llegará al mundo exterior. Como resultado, la tela respira.
Una membrana similar es fundamental para la función del nuevo dispositivo. Evita que el agua líquida transite a través de la membrana pero permite que pase el vapor de agua. La gran diferencia es que hay agua líquida en ambos lados de la membrana.
En el exterior, hay agua de mar, con su habitual colección de sales. En el interior, hay una solución concentrada de una sola sal, hidróxido de potasio (KOH) en este caso, que es compatible con el proceso de electrólisis que produce hidrógeno. Sumergido en la solución de KOH hay un conjunto de electrodos que producen hidrógeno y oxígeno a cada lado de un separador, manteniendo puras las corrientes de gas.
Entonces, ¿qué sucede una vez que el hardware comienza a funcionar? A medida que el agua dentro del dispositivo se divide, produciendo hidrógeno y oxígeno, los niveles reducidos de agua aumentan la concentración de la solución de KOH (que al principio era mucho más concentrada que el agua de mar). Esto hace que sea energéticamente favorable para que el agua se mueva a través de la membrana desde el agua de mar para diluir el KOH. Y, debido a los poros, eso es posible, pero solo si el agua se mueve en forma de vapor.
Como resultado, el agua existe brevemente en la etapa de vapor mientras está dentro de la membrana y luego vuelve rápidamente al estado líquido una vez que está dentro del dispositivo. Toda la mezcla compleja de sales en el agua de mar queda fuera de la membrana y se proporciona un suministro constante de agua dulce a los electrodos que la dividen. Fundamentalmente, todo esto se lleva a cabo sin el uso de energía que normalmente implica la desalinización, lo que hace que el proceso general sea más eficiente desde el punto de vista energético que el agua de limpieza para usar en un electrolizador estándar.
Uso en el mundo real
Todo esto suena muy bien en principio, pero ¿realmente funciona? Para averiguarlo, el equipo armó un dispositivo y lo puso en uso en el agua de mar de la bahía de Shenzhen (una entrada al norte de Hong Kong y Macao). Y, según casi todas las medidas de rendimiento razonables, funcionó bien.
Mantuvo el rendimiento incluso después de 3200 horas de uso, y la microscopía electrónica de la membrana después del uso indicó que los poros permanecieron desbloqueados en este punto. El KOH utilizado para el sistema no era completamente puro, por lo que contenía niveles bajos de los iones que se encuentran en el agua de mar. Pero esos niveles no aumentaron con el tiempo, lo que confirma que el sistema mantuvo el agua de mar fuera de la cámara de electrólisis. En cuanto a la energía, el sistema usó tanta energía como un electrolizador estándar, lo que confirma que la purificación del agua no exigía ningún costo energético.
La solución de KOH también se autoequilibraba, y la difusión de agua en el dispositivo se ralentizaba si su solución interna se diluía demasiado. Si se concentra demasiado, la eficiencia de la electrólisis disminuye, por lo que la eliminación de agua se ralentiza.
Los autores estiman que su dispositivo manejaría presiones de hasta unos 75 metros de agua de mar. Sin embargo, la temperatura a esas profundidades podría ser limitante, ya que la velocidad de difusión del agua a través de la membrana era seis veces mayor a 30 °C que a 0 °C.
Incluso con todas esas buenas noticias, hay opciones para mejorar el rendimiento. Varias sales además del KOH son adecuadas y algunas pueden funcionar mejor. Los investigadores también encontraron que la incorporación de KOH en un hidrogel alrededor de los electrodos impulsó la producción de hidrógeno. Finalmente, es posible que alterar el material o la estructura de los electrodos utilizados en la división del agua pueda impulsar aún más las cosas.
Finalmente, el equipo sugirió que esto podría ser útil para otras cosas además de la producción de hidrógeno. En lugar de agua de mar, sumergieron uno de los dispositivos en una solución de litio diluida y descubrieron que 200 horas de funcionamiento aumentaron las concentraciones de litio en más de 40 veces debido al agua que ingresa al dispositivo. Hay muchos otros contextos, como la purificación de agua contaminada, donde este tipo de capacidad de concentración podría ser útil.
Esto no resuelve todos los problemas asociados con el uso de hidrógeno como medio de almacenamiento de energía. Pero ciertamente tiene el potencial de permitirnos eliminar «necesita agua pura» de la lista de esos problemas.
Naturaleza2022. DOI: 10.1038/s41586-022-05379-5 (Acerca de los DOI).