Una parte integral de la transición a la energía verde es utilizar con sensatez el excedente ocasional de electricidad generado por fuentes renovables.Una posibilidad es utilizar ese excedente de energía para producir hidrógeno mediante electrólisis.Este hidrógeno verde puede servir entonces como portador de energía o utilizarse en otras reacciones de síntesis.

Un posible ejemplo de tal reacción implica el usodióxido de carbonoproducir metano, lo que también ayudaría a reducir el CO₂emisiones.El metano, a su vez, podrá utilizarse como sustituto del gas natural.Sin embargo, hay algunosdesafíos técnicosa lo largo del camino.Por ejemplo, la reacción libera mucho calor, lo que puede causar problemas.

Un grupo de investigación del Instituto Max Planck de Dinámica de Sistemas Técnicos Complejos ha presentado un novedoso concepto catalítico que evita el sobrecalentamiento del reactor.

La mayor expansión de las energías renovables conducirá cada vez más a fases en las que se generará más electricidad de la que existe una demanda apremiante.Es importante que tengamos la capacidad de almacenar estos excedentes para su uso posterior.Para ello serían adecuados, por ejemplo, sistemas de baterías.Sin embargo, también es posible utilizar el excedente de energía para sintetizarsustancias quimicas, que luego pueden servir como portadores de energía o materias primas.Este concepto también se conoce como Power-to-X.Las posibles sustancias incluyen hidrógeno, metanol y amoníaco.

El metano también es una molécula de almacenamiento sensible deenergía verde.Por ejemplo, podría sustituir al gas natural fósil, del que, al fin y al cabo, es el componente principal.El metano se puede generar utilizando dióxido de carbono (CO₂) a través de un proceso conocido como metanación, durante el cual el hidrógeno y el CO₂reaccionar unos con otros.El hidrógeno necesario se puede obtener utilizando el excedente energético antes mencionado para electrolizar agua.El dióxido de carbono, a su vez, podría obtenerse de gases residuales industriales, como los generados en fábricas de cemento o acero, centrales eléctricas o fábricas de biocombustibles.Esto evitaría simultáneamente el CO₂emisiones y retener el carbono dentro del ciclo del material industrial.

Catalizador con núcleo activo y capa inerte.

Actualmente no existen instalaciones de metanización a gran escala que almacenen energía renovable.Esto puede atribuirse a los desafíos técnicos que presenta el proceso.Por ejemplo, la reacción del CO₂y el hidrógeno libera mucho calor, lo que puede provocar un fuerte aumento de la temperatura en los reactores.Sin embargo, no deben superar los 550°C, porque entonces el níquel utilizado como catalizador se volvería inactivo y la reacción se detendría.

Por consiguiente, se necesitan conceptos para limitar la temperatura del reactor.Si bien es cierto que existen toda una serie de enfoques técnicos, muchos de ellos no son comercialmente viables debido al esfuerzo y el gasto que implican.Hasta el momento, ningún proceso ha superado la etapa de planta piloto.Investigadores del Instituto Max Planck de Dinámica de Sistemas Técnicos Complejos de Magdeburgo han desarrollado un concepto que ofrece rendimientos de metano económicamente interesantes y al mismo tiempo evita un aumento no deseado de temperatura.

El equipo, dirigido por Kai Sundmacher, director del departamento de Ingeniería de Sistemas de Procesos del Instituto Max Planck de Dinámica de Sistemas Técnicos Complejos en Magdeburgo, ha desarrollado el concepto de gránulos de catalizador núcleo-cubierta."Con el desarrollo de un núcleo catalítico activo y una capa inerte es posible limitar la temperatura del reactor, sentando así las bases para la metanación a gran escala de dióxido de carbono", explica Kai Sundmacher.Han publicado dos artículos sobre el concepto en elRevista de ingeniería química.

La característica clave del enfoque núcleo-capa es la capa porosa químicamente inerte.Las moléculas que deben reaccionar entre sí deben primero atravesar esta capa para llegar a la capa de níquel presente en el núcleo.Aquí es donde se forma el metano.

"La difusión de los reactivos a través de la capa es precisamente lo que ralentiza la velocidad de reacción, evitando así un aumento excesivo de la temperatura", explica Ronny Tobias Zimmermann, ingeniero químico del equipo de Sundmacher.Zimmermann también explica que gracias a las propiedades de la carcasa, como su diámetro o su porosidad, se puede determinar la temperatura máxima del reactor."Cuanto más gruesa sea la cáscara, menor será la temperatura máxima posible", concluye Zimmermann.En términos simples: cuanto más largo sea el camino que recorren las moléculas individuales para llegar al catalizador, mayor será la reducción de la velocidad.

El concepto también es compatible con un suministro fluctuante de hidrógeno.

El equipo de Magdeburgo determinó las propiedades y mediciones óptimas de los gránulos del catalizador núcleo-corteza y de los reactores mediante simulaciones por ordenador y experimentos posteriores.Tras este experimento se llegó a un único método, en el que se utiliza como reactor un haz de tubos de tres metros de largo y unos pocos centímetros de espesor.A continuación, los tubos se llenan con gránulos de catalizador núcleo-corteza.Estos miden alrededor de 3 milímetros de diámetro, con conchas de exactamente 0,1 milímetros de grosor.Esto equivale aproximadamente al doble del grosor de un solo cabello humano.Para la metanización se introduce una mezcla de hidrógeno y dióxido de carbono a través de tubos templados a unos 300°C.El gas metano resultante se recoge en el otro extremo de las tuberías, se limpia y luego se puede introducir en tanques o en los tanques existentes.gas naturalred.

"Todo está diseñado de tal manera que el reactor nunca supera una temperatura de 480°C, por mucha materia prima que alimentemos en la reacción", explica Zimmermann.Esto evita que el níquel se vuelva inerte.Esta flexibilidad y robustez son particularmente importantes en lo que respecta al uso de energías renovables, que a veces suministran más y otras menos excedentes de electricidad.La cantidad de hidrógeno que se produce y que luego puede reaccionar con el dióxido de carbono varía en función del suministro eléctrico disponible.Para la ingeniería de sistemas de procesos, estas variaciones en la cantidad de reactivos suelen ser un desafío importante.Las soluciones que también abordan estas fluctuaciones también se conocen como carga flexible.

Aplicaciones versátiles para gránulos de catalizador núcleo-corteza

"El problema se puede resolver naturalmente almacenando el hidrógeno de forma intermitente y recuperándolo de forma constante", explica Sundmacher."Sin embargo, almacenar hidrógeno de esta manera es muy costoso".Por ello resulta de gran interés una solución con flexibilidad de carga como la que se ha desarrollado hasta ahora.En principio, el equipo de Magdeburgo prevé que su reactor se utilice para obtener metano en todos los casos en que se pueda utilizar el excedente de electricidad renovable para suministrar el hidrógeno necesario.Esto incluye tanto parques eólicos como instalaciones fotovoltaicas de mayor tamaño.

Los investigadores de Max Planck observaron que su enfoque no se limita a la reacción del hidrógeno con el dióxido de carbono.En general, explican, el concepto de catalizadores núcleo-envoltura hechos a medida se puede aplicar a todas las reacciones gaseosas que generan altos niveles de calor, por ejemplo, a la reacción del hidrógeno y el nitrógeno para generar amoníaco.Actualmente, el Instituto de Magdeburgo también participa en el proyecto H2Mare.En términos generales, se centra en el uso directo del excedente de electricidad por parte de las instalaciones eólicas marinas para sintetizar hidrógeno.En cuanto a los posibles usos futuros delhidrógenoobtenidos, los investigadores también investigan la posibilidad de producir metano y amoníaco en reactores que contienen gránulos de catalizador núcleo-cubierta.En cualquier caso, Kai Sundmacher y su equipo ven un enorme potencial para almacenar electricidad renovable en productos químicos y portadores de energía.

Actualmente, la principal limitación es la cantidad de energía renovable disponible.energía.Sin embargo, esto es algo que cambiará en el futuro.Más información: