Desarrollan un catalizador viable para vehículos de hidrógeno

Investigadores de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) y del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) han desarrollado y patentado un catalizador para obtener hidrógeno a partir de etanol que podría ser la solución definitiva para el transporte basado en hidrógeno.

Consiste en una pieza de cerámica con canales en su interior y que ha sido recubierta con un aerogel, un material muy poroso y transparente, que contiene nanopartículas de cobalto. Son estas partículas de cobalto las que propiamente actúan transformando el etanol en hidrogeno.

Para su funcionamiento, el catalizador debe ser calentado a la temperatura de reacción (unos 310 grados C). Entonces, una mezcla de etanol y agua, en forma de gas, pasa a través de los canales de la cerámica y sale en forma de hidrógeno y CO2. Por cada molécula de etanol y tres de agua se obtienen seis moléculas de hidrógeno y dos de CO2.

Este dispositivo tiene un gran potencial para el desarrollo de pilas de combustible (‘fuel cell’) de hidrógeno. Los directores de la investigación, Jordi Llorca, profesor de la UPC en el Instituto de Técnicas Energéticas (INTE), y Elies Molins, profesor de investigación del CSIC en el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona, indican que una de las principales ventajas del dispositivo es la ganancia energética.

“La energía de cada molécula de etanol corresponde a la de 5 moléculas de hidrógeno”, explica Molins, profesor del CSIC. “Pero en nuestro catalizador se obtienen 6 moléculas de hidrógeno, dado que en la reacción se absorbe calor. Así, el calor residual de la pila de combustible (o de cualquier otra fuente) se aprovecha y aumenta aún más el rendimiento global del sistema”. Se trata pues de un circuito realimentado donde la energía para activar el catalizador la puede generar parcialmente la propia pila de combustible.

En la investigación también han participado Montserrat Domínguez y Elena Taboada, estudiantes de doctorado de la UPC y del CSIC.

Vehículos de hidrógeno

Este catalizador puede acercar la solución definitiva al transporte por hidrógeno. Actualmente hay más de un centenar de prototipos de automóviles movidos por hidrógeno, que transportan el hidrógeno en depósitos a altas presiones, así como algunas estaciones dispensadoras de hidrógeno (hidrogeneras). Pero extender este modelo supone una gran inversión económica, no sólo para reemplazar toda la infraestructura ligada a la gasolina sino para generar suficientes medidas de seguridad (el hidrógeno es un gas inflamable y explosivo).

Este cambio de infraestructura se podría evitar si se dispusiera de un dispositivo para generar el hidrógeno en el propio automóvil. Es lo que persiguen científicos de todo el mundo desde hace unos años, pero hasta ahora ningún catalizador parecía viable.

La gran ventaja de este catalizador y que lo hace más viable que otros desarrollados anteriormente, es que no necesita ningún tratamiento previo ni ser preservado del contacto con el aire o la humedad. “Todos los catalizadores que se han investigado hasta la fecha necesitan un tratamiento de reducción [proceso químico destinado a disminuir el estado de oxidación], lo que supone dejar el catalizador con hidrógeno y a altas temperaturas durante unas horas antes de cada uso”, explica Jordi Llorca, profesor de la UPC. En cambio, el catalizador desarrollado en los laboratorios del CSIC y la UPC no necesita ninguna inducción ni acondicionamiento y puede ser reutilizado en ciclos de encendido/apagado de manera indefinida.

Otras ventajas son que la temperatura requerida es mucho más baja que la de otros catalizadores y que la producción de hidrógeno es rápida: en apenas 2 minutos se obtiene hidrogeno. Por otro lado, si se compara el consumo de un coche que funcione con etanol con el hipotético consumo de un coche basado en este catalizador, las cuentas también son rentables: cálculos preliminares indican que el consumo se podría reducir en un 25% .

A nivel medioambiental, el catalizador sigue produciendo CO2, aunque mucho menos que un coche de motor basado en combustibles fósiles. Por otro lado, los investigadores están ensayando el dispositivo con combustibles sintéticos obtenidos de otras fuentes alternativas (residuos por ejemplo).

Actualmente los investigadores están colaborando con el sector empresarial para implementar el desarrollo en aplicaciones reales. Estas pueden darse tanto en el sector de la automoción como en la generación de energía de sistemas estáticos, como calderas o generadores auxiliares, o en el ámbito de los dispositivos portátiles.

Aun queda mucho trabajo para desarrollar estas aplicaciones pero ya se ha dado un primer gran paso al conseguir depositar las nanopartículas en un aerogel sobre un soporte comercial cerámico que se usa, de hecho, en muchos dispositivos industriales, de forma que para ensayar las primeras aplicaciones bastaría con escalar el prototipo.

Datos de interés

En un motor de explosión, con un litro de etanol se pueden obtener 24.5 MJ (megajulios) de energía, mientras que con uno de gasolina, 32.7 MJ. Empleando el catalizador, un litro de etanol se transforma en 2,4 litros de hidrógeno (en condiciones normales), que pueden producir 24.8 MJ.
Un vehículo funcionando Respecto a la eficiencia de energía, un vehículo funcionando con pilas de combustible de hidrógeno tiene un rendimiento medio de un 36% en un trayecto a distintos regímenes según norma NEDC (New European Driving Cycle). Es decir, de los 24,8 MJ de energía producidos, un 36% se convierten en movimiento efectivo del coche. Según la misma norma NEDC, un vehículo con motor de explosión tiene un rendimiento del 22%.

Por otro lado, el máximo teórico de rendimiento en un motor de combustible es del 37%, mientras que uno funcionando con pilas de combustible de hidrógeno tiene su límite máximo teórico en el 85%.