La producción fotocatalítica de hidrógeno y las hojas artificiales

El petróleo fue la fuente de energía y el vector energético del siglo XX. Todo apunta a que el hidrógeno será el vector energético del siglo XXI gracias a la energía solar como fuente de energía. Para ello se tendrán que desarrollar sistemas de producción de hidrógeno a gran escala basados en materiales electrocatalíticos y fotoelectrocatalíticos. A partir de haluros de hidrógeno, compuestos HX, se puede generar hidrógeno (H2) por división fotocatalítica; normalmente, X=Cl (cloro) o X=Br (bromo). La reacción química (global) utilizada es 2 HX → H2 + X2, una reacción endotérmica (que necesita de un aporte de energía); para el cloro (X=Cl) se necesita un incremento en la energía libre de Gibbs de ΔG° = 131 kJ/mol y para el bromo (X=Br) ΔG° = 103 kJ/mol. Gracias un fotocatalizador oxidativo [Cat] apropiado se puede utilizar la energía solar como fuente de energía; la producción autosostenida de hidrógeno requiere desarrollar un ciclo cerrado de reacciones químicas. Los avances recientes en este campo han sido muy importantes, destacando los del grupo de investigación del Dr. Nocera en el MIT (Instituto de Tecnología de Massachusetts, Cambridge, EE.UU.). Sin embargo, aún estamos lejos para que estos avances se puedan introducir en la industria de la producción masiva de hidrógeno gracias a la energía solar. Los interesados en más detalles disfrutarán del breve artículo de Thomas S. Teets y Daniel G. Nocera, “Photocatalytic hydrogen production,” Chemical Communications 47: 9268-9274, 06 Jun 2011.

Otra de las líneas más interesantes de trabajo del grupo de Daniel Nocera es el desarrollo de hojas artificiales, reacciones químicas que imitan la fotosíntesis que utilizan las plantas para obtener energía directamente del sol. Lla electrólisis (romper una molécula de agua en hidrógeno y oxígeno) no se puede realizar con células solares fotovoltaicas porque requiere un voltaje más alto del que éstas son capaces de producir. Las hojas artificiales son unos materiales catalíticos que combinan ambas funciones, las de una célula solar y las de un sistema de electrólisis. Las primeras hojas artificiales se desarrollaron en 1998 por John Turner (Laboratorio Nacional de Energías Renovables, Boulder, Colorado), pero utilizaban materiales muy caros y su química era tan compleja que era difícil obtener sistemas estables para producción industrial. El Dr. Nocera y su grupo ha tratado de imitar a las plantas utilizando “ingeniería inversa” y han logrado las primeras hojas artificiales prácticas (baratas y fáciles de fabricar). Una especie de lámina de silicio que introducida en un vaso de agua expuesto al sol empieza a producir burbujas de hidrógenos y oxígeno; no se necesita agua ultrapura lo que permite usar fuentes naturales de agua y pone este dispositivo al alcance de muchas partes del tercer mundo. Nos lo contó Richard A. Lovett, “MIT scientist announces first “practical” artificial leaf,” Nature News Blog, March 28, 2011.

La luz solar es la fuente más abundante y sostenible de energía que dispone la humanidad. La Tierra recibe de la energía solar unos 120 000 TW (terawattios o billones de wattios), de los que unos 170 W por metro cuadrado llegan al año a la superficie de la Tierra (el número varía dependiendo de la ubicación geográfica). Aprovechar toda esta energía requiere el desarrollo de dispositivos de alta eficiencia similares a los utilizados por los organismos vivos fotosintéticos, que gracias a la mecánica cuántica alcanzan un porcentaje de fotones absorbidos de casi el 100% en condiciones óptimas, pero esto no implica que su eficiencia total sea del 100%. Se estima que las leyes de la termodinámica implican una reducción de la eficiencia a ~ 50%. Para un sistema fotovoltaico artificial se aplica el llamado límite de Shockley-Queisser de ~ 24% (en lugar del 100%),  lo que reduce la eficiencia de producción teórica a solo un ~ 12%.

Comparar la eficiencia de un sistema fotosintético con uno fotovoltaico no es fácil. Ambos procesos recogen la energía de la luz solar, pero funcionan de forma diferente y producen diferentes tipos de productos: fotosíntesis natural produce biomasa y productos químicos, mientras que un sistema fotovoltaico produce una corriente eléctrica. Una posibilidad para comparar ambos sistemas es la generación de hidrógeno (en el caso fotovoltaico mediante electrólisis del agua). El resultado muestra que la fotosíntesis es entre 2 y 3 veces más eficientes que los sistemas fotovoltaicos. Por ello, en la actualidad hay un gran interés en la investigación en la fotosíntesis artificial y en el diseño mediante biología sintética de hojas artificiales. Nos lo contó Robert E. Blankenship et al, “Comparing Photosynthetic and Photovoltaic Efficiencies and Recognizing the Potential for Improvement,” Science 332: 805-809, 13 May 2011.

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13 pensamientos en “La producción fotocatalítica de hidrógeno y las hojas artificiales

  1. Dudas:
    Entiendo la reacción de deshalogenación pero ¿cual sería la fuente de esos productos halogenados iniciales? ¿Ese es el combustible en sí? ¿El halogeno se expulsa luego al exterior?.
    No entiendo el interés por estudiar esta reacción como solución a la producción de hidrógeno. ¿puedes ampliar un poco el concepto?
    Cuando hablas de 170W por metro cuadrado ¿Es una potencia calculada en días, horas, semanas, meses, años? Se que un W es un julio por segundo, pero la radiación no es constante en el tiempo, por eso pregunto lo anterior.

    • Buenas dudas, Gambi, no sé si sabré responderlas bien.

      ¿Cuál es la fuente de HCl y HBr, o cómo se producen? El HCl se produce comercialmente por varias vías, pero quizás la más efectiva es reaccionar cloruro sódico (sal) con ácido sulfúrico para formar cloruro de hidrógeno y un carbonato (una reacción endotérmica), también es un subproducto en mucha industria química. En cuanto al HBr también es subproducto en ciertos procesos industriales. No soy experto en química industrial, quizás alguno de los lectores pueda aclararlo mejor.

      ¿Producción de hidrógeno para qué? Como vector de energía para pilas de combustible, es decir, como dicen más abajo, como almacén de energía.

      Obviamente, 170 W/m^2 es irradiación anual. Lo aclaro en la entrada. Quizás no es tan obvio como me pareció cuando lo escribí…

  2. Este tipo de investigaciones me producen al mismo tiempo esperanza y dudas. El hidrógeno tiene unas propiedades excelentes como almacén de energía, pero por desgracia trae consigo propiedades indeseables en cuanto a peligro por accidentes mucho mayor que la de otros combustibles. Prefiero no imaginarme un accidente de un coche que funcione por hidrógeno en medio de una ciudad.

    Y por otro lado, está el tema de analizar más profundamente los requerimientos del proceso, no se trata sólo de aprovecharse de la luz del sol. ¿Cuánto cuesta fabricar esos catalizadores? ¿Cada cuanto tiempo hay que regenerarlos? Viendo su estructura química en el artículo, no tienen pinta de ser precisamente inertes frente a la naturaleza, hay demasiado anillo aromático… Todas estas cosas pueden tener mucha importancia. Otra pregunta, el cloro que se genera es muy tóxico, y además por cada gramo de hidrógeno producido vendrán 35,5 gramos de cloro! Imagino que la intención es reintroducir ese cloro al ciclo, produciendo de nuevo HCl, pero hay que ver también el coste de este proceso.

    Y por último, haciendo unos pocos números, si llegan 170 W/m^2 y tenemos una eficiencia del 12% se necesitan una superficies enormes para alcanzar captaciones de energía significativas. Para un consumo medio en España de 30.000 MW, hacen falta unos 1500 km^2 de superficie. Si a eso le restamos las noches y los días nublados, nos vamos a superficies comparables a la de una provincia española…

    Por todas estas cosas soy más bien escéptico en el rol que pueda tener la energía solar (directamente, en realidad todo viene de ahí de forma indirecta). Soy mucho más partidario de la eólica como protagonista y de la solar como ayudante secundaria. Y por supuesto, la estigmatizada nuclear.

    • Darle juguetes a los niños es muy mala idea. Creo que la energía nuclear (de fisión) se va por el retrete de la historia y alabado sea Dios. Lo dice todo sobre el particular de que ninguna compañía de seguros del mundo quiere saber nada del tema, y esta frase tiene más contundencia de la que parece. Las tecnologías nunca van solas, siempre forman parte de un entramado. La energía nuclear es demasiado peligrosa, y cara, para el rendimiento que retorna. Hay escenarios de poner los pelos de punta (y nótese que no ha habido guerras, aún, en territorios con centrales nucleares).

    • pedrokb, una puntualización: en la cifra de 170 W/m2 ya están contados los días soleados, las noches, los dias nublados, etc.
      170W/m2 es la irradiación media anual típica de, por ejemplo el sur de Francia. En el sur de España llega a ser del orden de 205 W/m2 o incluso algo superior en algunos lugares.
      Ello no te quita razón en que la superficie necesaria para abastecer los 30 GW medios que necesita España es enorme, del orden de esos 1.500 km2 que dices, lo que es incorrecto es que añadas “Si a eso le restamos las noches y los días nublados, nos vamos a superficies comparables a la de una provincia española”
      Saludos.

      • Cierto, no había pensado que fueran medias anuales, como bien ha indicado luego Francis en los comentarios. Más allá de hacer un cálculo riguroso, mi intención iba encaminada hacia mostrar mi escepticismo por la rentabilidad que pueda tener un proceso de este tipo. Lo que quiero decir es que para montar una planta de producción basada en energía solar se necesita una superficie brutal. Y además de conseguir los terrenos, luego hay que ocuparlos con materiales de avanzada tecnología, de los que nos tendremos que preocupar cuando queden obsoletos en un futuro (aún no se sabe muy bien qué hacer con las placas de silicio de las plantas actuales)… Como comparativa rápida, un molino de viento puede alcanzar unos pocos MW de potencia. Para esa producción nos vamos a los 100.000 m^2 en solar…

  3. Son procesos en los que se señalan la producción de hidrógenos que pudieran ser usados en pilas de combustibles u otros usos, pero especificamente en el primero, utilizando ciertos catalizadores que optimizan las reacciones químicas, creo que es un estudio muy importante.

  4. Es tecnología compleja, nada simple, toda la tecnología que tenemos ahora para gestionar (y despilfarrar) la energía es muy básica, nada complicada, esta tecnología requeriría un despliegue brutal y no sé de dónde saldría tanto la voluntad política como los recursos materiales. No digo que no se investigue, pero no me parece realista cualquier venta de un futuro a medio plazo que no pase por un recorte drástico (ahí sí que va a haber “austeridad” sí o sí), salvo que se produzca el milagro (cabe llamarlo así) de que se consiga la fusión nuclear sustentable (ya no digo económica, porque incluso antieconómicamente sería un maná).

    Hay que tener en cuenta que almacenar energía bajo la forma por ejemplo de aire comprimido (en tanques vulgares y corrientes) es mucho menos complejo (y la infraestructura necesaria, de muy baja tecnología), o simplemente bombear agua de retorno a los embalses como se hace en caso de exceso.

    Igual que con la traída deuda, la verdad que deberíamos hacer una auditoría del consumo energético, cualquier cábala no tiene sentido sin empezar por ahí.

  5. Para mi el aspecto fundamental es lo que ha indicado #2. Con los consumos energéticos actuales (tanto a escala nivel nacional, como a nivel mundial), la energía que recibimos del sol hace que, aun suponiendo rendimientos altísimos para generación, acumulación, etc, la cantidad de suelo que se necesita es prohibitiva. Cubrir el 0,1 – 1% del planeta de sistemas de captación no es viable económicamente, medioambientalmente, ni tenemos materias suficientes.
    Al valorar estos avances hay que ser escépticos, y valorar las opciones por el coste medio ambiental en el ciclo de vida. Lo cual, sea de paso, es terriblemente complicado de calcular, y se encuentran pocos estudios e información al respecto. Valorar si un panel fotovoltaico (por ejemplo) incluido fabricación, transporte, reciclado de materiales tóxicos, etc etc, compensa en su vida útil… pues las cuentas están ahí ahí.
    El hidrógeno será el vector energético del futuro, pero de momento el rendimiento en la carga se pierde un 50% y otro 50% en la descarga. Osea el rendimiento como almacén de energía ronda el 25%. En un futuro esperemos mejorar estas cifras, pero de momento es decepcionante.
    Y si a el bajo rendimiento del hidrógeno le sumas el bajisimo rendimiento de los sistemas de captación solar (12-17%), parece que la utopía de hidrógeno solar esta muy muy muy lejana.
    Lógicamente queda mucho por mejorar e investigar (por otro lado, he obviado bastantes pérdidas de transformación, por ejemplo), pero en mi opinión está claro que se va a producir una crisis energética importante en unas pocas décadas. Y no es que me guste ser apocalíptico, pero tenemos el gasto energético por las nubes. Deberíamos poder abastecernos únicamente del sol, pero consumimos demasiado.
    Vamos, que o terminamos un reactor de fusión, o los físicos descubrís algún tipo de energía ‘exótica’ que los ingenieros podamos aprovechar, o el futuro esta oscurito…
    (Por cierto, la fotosíntesis natural tiene un rendimiento medio del 1,5%, hasta donde yo sé)

  6. Mula, Openmined tiene razón. Lo que se propone en el post es tecnologia demasiado compleja, incluso en ciertos casos peligrosa. Yo creo que el futuro energético immediato y a medio plazo está en dos avances brutales; uno ya se aplica experimentalmente en España (Almeria) y otro es fruto de la investigación internacional y por cierto, en españa se han patentado ciertos avances significativos al respecto (Centro de fotónica de Barcelona).

    El primer avance es la elaboración de biopetroleo a través de algas y luz solar. Obviamente una de las muchas ventajas de este avance es que se puede seguir usando la misma tecnologia que la que usamos actualmente (mismos motores, etc). Ver más info en http://www.biopetroleo.com/. Ahí se expone como es posible fabricar en españa mismo todo el petroleo que se consume en el país y con ello, sorpresa, se reduciria un 20% de las emisiones de CO2 mundiales.

    El otro avance está siendo las palcas solares con grafeno. Quizás a medio plazo sea posible desarrollar placas solares superbaratas, flexibles y con un alto rendimiento eléctrico. Ver en http://www.grafeno.com

    También en tecnologia hay que aplicar la ley de Ockham: entre dos inventos el más cómodo es el mejor.

    • Como todo el mundo sabe en el océano la pirámide de biomasa tiene la particularidad de que la base, el fitoplancton, es más pequeña que el siguiente segmento, el zooplancton. Esto es debido a que las algas unicelulares se dividen muy deprisa, ya que son muy eficientes transformando la luz solar y los nutrientes en biomasa, lo que permite mantener una biomasa de consumidores primarios mayor que la de productores. Esa es la ventaja de utilizar microalgas frente a otras fuentes de biocombustibles, como el maíz.

  7. Entre alguno de los comentarios alguien habla de la peligrosidad de un accidente con el hidrógeno. Está ampliamente demostrado que el hidrogeno, incluso presurizado, es meramente deflagrante y es el peor de los casos. El Hidrógeno carece de capacidad para explosionar. Ademas tiene una deflagración infinitamente más segura que la de por ejemplo el diésel o la gasolina, dado que normalmente en la de estas parte del comburente es lanzado y mezclado con el aire hasta volver a deflagrar o incluso explosionar. El Hidrógeno parece que meramente arde bien y no parece tener las propiedades de reacción en cadena. No pongo la mano en el fuego en lo que he dicho, pero es una duda que he intentado responderme desde hace bastantes años y siempre estoy atento a cualquier divulgación que hable del hidrógeno.

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