Ciencia Kanija

Los investigadores muestran el método para producir hidrógeno

Un ingeniero de la Universidad de Purdue ha desarrollado un método que usa una aleación de aluminio para extraer el hidrógeno del agua para hacer funcionar células de combustible o motores de combustión interna, y la técnica podría usarse para reemplazar la gasolina.

El método hace innecesario almacenar o transportar hidrógeno – dos de los mayores retos en la creación de una economía del hidrógeno, dice Jerry Woodall, un distinguido profesor de ingeniería eléctrica y computacional en Purdue que inventó el proceso.

“El hidrógeno se genera bajo demanda, por lo que sólo se produce lo que se necesita y cuando se necesita”, dijo Woodall, que presentó los hallazgos de su investigación detallando cómo funciona el sistema durante un reciente simposio sobre energía en Purdue.

La tecnología podría usarse para dirigir pequeños motores de combustión interna en distintas aplicaciones, incluyendo generadores de emergencia portátiles, cortacésped y sierras de cadena. El proceso podría, en teoría, también usarse para reemplazar la gasolina de los coches y camiones, comentó.

El hidrógeno se genera de forma espontánea cuando se añade agua a las bolas de la aleación, que está hecha de aluminio y un metal llamado galio. Los investigadores han demostrado cómo el hidrógeno producido cuando se añade agua a un pequeño tanque que contiene las bolas. El hidrógeno producido mediante tal sistema podría ser usado para alimentar directamente un motor como el de los cortacésped.

“Cuando se añade agua a las bolas, el aluminio de la aleación sólida reacciones debido a que tiene una fuerte atracción hacia el oxígeno del agua”, dijo Woodall.

Esta reacción divide el hidrógeno y el oxígeno contenidos en el agua, liberando el hidrógeno en el proceso.

El galio es crítico para el proceso debido a que dificulta el proceso de formación de una película que se crea habitualmente en la superficie del aluminio tras la oxidación. Esta película normalmente previene al oxígeno de que reaccione con el aluminio, actuando como una barrera. Al eliminar la formación de esta película se permite que continúe la reacción hasta que se usa todo el aluminio.

La Fundación de Investigación de Purdue mantiene los derechos para la primera patente, que ha sido archivada por la Oficina de Marcas y Patentes de los Estados Unidos y están pendientes de aceptación. Una compañía de Indiana que se inicia ahora, AlGalCo LLC., ha recibido una licencia con los derechos en exclusiva para comercializar el proceso.

La investigación ha sido financiada por el Centro de Energía en el Parque del Descubrimiento de Purdue, el centro de la universidad para la investigación interdisciplinar.

“Este es exactamente el tipo de proyecto que encaja con el Parque del Descubrimiento. Es una ciencia excitante que tiene un gran potencial para su comercialización”, dijo Jay Gore, Decano Asociado de Ingeniería para la Investigación, Director Interino del Centro de Energía y Profesor de Ingeniería Mecánica Vincent P. Reilly.

El equipo de investigación esta formado por ingenieros aeronáuticos, químicos, mecánicos y eléctricos, incluyendo estudiantes de doctorado.

Woodall descubrió que la aleación líquida de aluminio y galio produce espontáneamente hidrógeno si lo mezclamos con agua mientras trabajaba como investigador en la industria de los semiconductores en 1967. La investigación, que se centraba en el desarrollo de nuevos semiconductores para ordenadores y electrónica, llevó a los avances en las comunicaciones por fibra óptica y diodos emisores de luz, haciéndolos prácticos para todo, desde reproductores de DVD a pantallas en el salpicadero de los automóviles. Este trabajo también llevó al desarrollo de transistores avanzados para teléfonos móviles y componentes de las células solares que dan energía a los módulos espaciales como los usados en los rovers de Marte, permitiendo a Woodall obtener la Medalla Nacional de Tecnología en 2001 otorgada por el presidente George W. Bush.

“Estaba limpiando un crisol que contenía aleaciones líquidas de galio y aluminio”, dijo Woodall. “Cuando le añadí agua a esta aleación – habla de un descubrimiento – hubo una violenta reacción. Fui a mi oficina y trabajé en la reacción un par de horas para tratar de imaginar lo que había pasado. Cuando los átomos de aluminio de la aleación líquida entraron en contacto con el agua, reaccionaron, dividiendo el agua y produciendo hidrógeno y óxido de aluminio.

“El galio es crítico debido a que se funde a bajas temperaturas y disuelve fácilmente el aluminio, y da la reactividad al aluminio en las bolas sólidas con agua. Este fue un descubrimiento totalmente sorprendente, dado que es bien conocido que el aluminio sólido puro no reacciona fácilmente con el agua”.

Los productos de desecho son galio y óxido de aluminio, también llamado alúmina. La combustión del hidrógeno en un motor produce sólo agua como residuo.

“No se generan humos tóxicos”, dijo Woodall. “Es importante apuntar que el galio no reacciona, por lo que no es usado y puede reciclarse una y otra vez. La razón por la que esto es importante es debido a que el galio actualmente es mucho más caro que el aluminio. Con un poco de suerte, si este proceso se adopta ampliamente, la industria del galio responderá produciendo grandes cantidades de galio de grado inferior requerido para el proceso. Actualmente, casi todo el galio es de una alta pureza y se usa casi exclusivamente en la industria de los semiconductores”.

Woodall dijo que dado que esta tecnología hace posible usar hidrógeno en lugar de gasolina para mover motores de combustión interna podría usarse en coches y camiones. Para hacer esta tecnología competitiva económicamente con la gasolina, sin embargo, debería reducirse el coste del reciclaje del óxido de aluminio, comentó.

“Ahora mismo el coste de medio kilo de aluminio es más de 1 dólar y, a este precio, se puede entregar un producto al equivalente de 3 dólares cada 4 litros de gasolina”, dijo Woodall.

Sin embargo, el coste del aluminio podría reducirse reciclándolo de la alúmina usando un proceso llamada electrólisis de sal fundida. El aluminio podría producirse a precios competitivos si el proceso de reciclado fuese llevado a cabo con electricidad generada por una planta energética nuclear o centrales eólicas. Debido a que no sería necesario distribuir la electricidad en la red de energía, sería menos costoso que la energía producida por las plantas conectadas a la red, y podrían colocarse generadores en localizaciones remotas, lo cual sería particularmente importante para un reactor nuclear ya que facilitaría las preocupaciones políticas y sociales, dijo Woodall.

“El coste de hacer una electricidad in situ es mucho menor si no tienes que distribuirla”, dijo Woodall.

La aproximación podría permitir a los Estados Unidos reemplazar la gasolina para propósitos de transporte, reduciendo la contaminación y la dependencia de la nación del petróleo extranjero. Si se perfeccionan las células de combustible de hidrógeno para coches y camiones en el futuro, el mismo método de producción de hidrógeno podría usarse para proporcionar la energía, comentó.

“Llamamos a esto la economía del hidrógeno que permite el aluminio”, dijo Woodall. “Es algo simple convertir los motores de combustión interna comunes para que funcionen con hidrógeno. Todo lo que debes hacer es reemplazar el inyector de combustible de gasolina por un inyector de hidrógeno”.

Incluso al coste actual del aluminio, sin embargo, el método sería económicamente competitivo con la gasolina si el hidrógeno se usara para poner el marcha futuras células.

“Usando hidrógeno puro, los sistemas de células de combustible funcionan a una eficiencia global de un 75 por ciento comparado con el 40 por ciento del porcentaje usado por el hidrógeno extraído de combustibles fósiles y un 25 por ciento de los motores de combustión interna”, dijo Woodall. “Además, cuando las células de combustible se conviertan en viables económicamente, si alguna vez lo hacen, nuestro método competiría con la gasolina a 3 dólares por 4 litros incluso si los costes del aluminio son más de un dólar por medio kilo”.

La tecnología de generación de hidrógeno comparada con las células de combustible avanzadas también representan un método potencial futuro para reemplazar las baterías de ácido y plomo en aplicaciones como carros de golf, sillas de ruedas eléctricas o coches híbridos, comenta.

La tecnología subraya el valor del aluminio en la producción de energía.

“La mayor parte de la gente no se da cuenta de lo intensiva que es la energía del aluminio”, dijo Woodall. “Por cada medio kilo de aluminio obtienes más de dos kilovatios/hora de energía en forma de combustión de hidrógeno y más de dos kilovatios/hora del calor de las reacciones del aluminio con el agua. Un coche de tamaño medio con un tanque lleno de bolas de aluminio-galio, con cantidades un unos 175 kilos de aluminio, podría hacer un viaje de 560 kilómetros con un coste de 60 dólares, suponiendo que la alúmina sea convertida de nuevo en aluminio en una central de energía nuclear in situ.

“¿Cómo podríamos compararlo con la tecnología convencional? Bien, si pongo gasolina en un tanque, obtengo seis kilovatios/hora por cada medio kilo, o unos dos veces y media la energía que se obtiene de medio kilo de aluminio. Por lo que necesito dos veces y media el peso de aluminio para obtener la misma energía de salida, pero si elimino por completo la gasolina tengo un recurso que es barata y abundante en los Estados Unidos. Si sólo se usara la energía generada por el hidrógeno, la aleación de aluminio-galio requeriría el mismo espacio que un tanque de gasolina, por lo que no sería necesario añadir más espacio y el peso extra sería el equivalente a un pasajero extra, aunque uno bastante grande”.

La idea podría eliminar los principales obstáculos relacionados con el desarrollo de una economía del hidrógeno. Reemplazar la gasolina por hidrógeno en el transporte requeriría la producción de ingentes cantidades de hidrógeno, y el gas hidrógeno tendrían entonces que transportarse a las estaciones de repostaje. El transporte del hidrógeno es caro debido a que es un gas no ideal!, lo que significa que los tanques de almacenamiento contienen menos hidrógeno que otros gases.

“Se pudiera hacer hidrógeno económico bajo demanda, sin embargo, no tendría que almacenarlo y transportarlo, lo que resuelve un problema significativo”, dijo Woodall.