Un nuevo método para producir hidrógeno reduce las emisiones de CO2 y genera grafito para baterías

Investigadores de la Universidad de Stanford, en Estados Unidos, han desarrollado un nuevo método para producir hidrógeno que podría reducir de forma drástica las emisiones de CO2 asociadas a este proceso y, además, generar un subproducto de alto valor industrial. El sistema, descrito en un estudio publicado en la revista Science, se basa en la pirólisis del metano, una técnica que descompone esta molécula para obtener hidrógeno gaseoso y carbono sólido, en lugar del dióxido de carbono que se libera mediante los métodos convencionales.

La producción de hidrógeno resulta esencial para numerosas actividades industriales y agrícolas, pero actualmente tiene un elevado coste ambiental. La mayor parte del hidrógeno que se fabrica en el mundo procede de procesos que utilizan gas natural y requieren grandes cantidades de energía, al tiempo que generan importantes emisiones de CO2.

«Hoy en día, utilizamos gas natural para producir hidrógeno, pero también generamos CO2», explica Henry Moise, investigador del Departamento de Ingeniería Química de Stanford y uno de los autores principales del trabajo. «La pirólisis es un proceso similar, pero en lugar de producir CO2, se produce carbono sólido».

Un reactor diez veces más eficiente

La pirólisis del metano lleva años siendo objeto de investigación, pero su aplicación a gran escala se ha encontrado con varios obstáculos. Uno de los principales es la necesidad de retirar de forma eficaz el carbono sólido generado durante la reacción. El segundo, conseguir aportar al reactor el enorme volumen de calor necesario para que el proceso funcione.

La reacción debe alcanzar temperaturas próximas a los 1.000 grados centígrados. En los sistemas industriales convencionales, los reactores se calientan desde el exterior, una solución que pierde eficiencia cuando aumenta su tamaño. «Una vez que se calienta algo muy grande desde el exterior, es difícil que el calor penetre hasta el centro del reactor», señala Matteo Cargnello, profesor asociado de Ingeniería Química de Stanford y autor principal del estudio.

Para solucionar este problema, el equipo ha diseñado un sistema de calentamiento desde el interior del reactor. En lugar de quemar gas natural, los investigadores utilizan parte del propio hidrógeno generado durante el proceso como combustible. Su combustión produce principalmente agua, lo que permite proporcionar el calor necesario sin generar emisiones directas de carbono y favorece al mismo tiempo el desarrollo de la reacción.

Según los investigadores, este sistema de calentamiento autotérmico puede multiplicar aproximadamente por diez la eficiencia del proceso. Con una cantidad equivalente de energía, un reactor equipado con esta tecnología podría producir la misma cantidad de material que diez reactores que empleasen métodos convencionales de calentamiento externo. «Todo se reduce a la idea de eficiencia. Se pueden reducir las emisiones de CO2 evitando producirlas, pero también se pueden reducir optimizando el uso de la energía», resume Moise.

Pero la investigación ha deparado además una sorpresa. El carbono sólido obtenido durante la pirólisis presentó una calidad extraordinariamente elevada y resultó ser grafito con un alto grado de grafitización. Este material tiene numerosas aplicaciones tecnológicas y se utiliza, entre otros ámbitos, en baterías y electrodos.

«No es que no esperáramos encontrar carbono de mayor calidad, pero el grado de grafitización y la calidad del carbono eran tan elevados», reconoce Moise, que considera este hallazgo la principal sorpresa del proyecto.

Los investigadores subrayan que encontrar alternativas más sostenibles para producir hidrógeno resulta especialmente relevante debido al papel que desempeña esta molécula en la economía mundial. El hidrógeno es fundamental para fabricar amoníaco, un compuesto esencial para la producción de fertilizantes que, según las estimaciones, contribuyen a alimentar aproximadamente a la mitad de la población mundial.

También se utiliza en las refinerías para eliminar el azufre de los combustibles y participa en la fabricación de productos como el metanol. «Es tan omnipresente que casi pasa desapercibido», afirma Moise.

El equipo de Stanford espera que este nuevo método permita avanzar hacia una producción de hidrógeno más eficiente, económica y limpia, al tiempo que convierte un residuo del proceso en una materia prima de interés para distintas tecnologías.