Los experimentos de laboratorio y una campaña de vuelo parabólico han permitido a un equipo internacional de investigadores del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) obtener nuevos conocimientos sobre la electrólisis del agua, en la que el hidrógeno se obtiene del agua mediante la aplicación de energía eléctrica.
La electrólisis del agua podría desempeñar un papel clave en la transición energética si se pueden lograr mejoras en la eficiencia. Los hallazgos publicados recientemente en la revista _Physical Review Letters _ofrecen un posible punto de partida para mejorar el impacto ambiental de las tecnologías basadas en hidrógeno.
Se necesitan soluciones viables para el almacenamiento intermedio de energía para garantizar que no se desperdicie el exceso de electricidad generada por los sistemas de energía solar y eólica durante la producción máxima. La producción de hidrógeno, que luego puede convertirse en otros portadores de energía química, es una opción atractiva. Es esencial que este proceso ocurra de la manera más eficiente y, por lo tanto, rentable.
El equipo de investigadores del HZDR, dirigido por el profesor Kerstin Eckert, se centró específicamente en la electrólisis del agua. Este método utiliza energía eléctrica para dividir las moléculas de agua en sus componentes: hidrógeno y oxígeno. Para hacer esto, se aplica una corriente eléctrica a dos electrodos sumergidos en una solución acuosa ácida o alcalina. Se forma hidrógeno gaseoso en un electrodo y oxígeno en el otro. Sin embargo, la conversión de energía implica pérdidas. En la práctica, el método actualmente ofrece una eficiencia energética de entre el 65 y el 85%, dependiendo del proceso electrolítico utilizado. El objetivo de la investigación de electrólisis es aumentar la eficiencia a alrededor del 90% desarrollando mejores técnicas.
Burbujas de hidrógeno oscilantes
Una mejor comprensión de los procesos químicos y físicos subyacentes es esencial para optimizar el proceso de electrólisis. Las burbujas de gas que crecen en el electrodo experimentan flotabilidad, lo que hace que las burbujas se eleven. El problema de predecir con precisión el tiempo de desprendimiento de las burbujas de gas de los electrodos ha desconcertado a los investigadores durante años. También se sabe que la pérdida de calor ocurre cuando las burbujas permanecen en el electrodo. En una combinación de experimentos de laboratorio y cálculos teóricos, los científicos ahora han generado una mejor comprensión de las fuerzas que actúan sobre la burbuja. "Nuestros hallazgos resuelven una vieja paradoja de la investigación sobre las burbujas de hidrógeno", calculó Eckert.
En experimentos anteriores, los investigadores ya notaron que las burbujas de hidrógeno comienzan a oscilar rápidamente. Investigaron este fenómeno con mayor detalle: usando una cámara de alta velocidad, capturaron la sombra de las burbujas y analizaron cómo las burbujas individuales pueden desprenderse de un electrodo cien veces por segundo, solo para volver a conectarlo inmediatamente después. Se dieron cuenta de que una fuerza eléctrica hasta ahora descuidada competía con la flotabilidad, facilitando la oscilación.
El experimento también mostró que una especie de alfombra de microburbujas se forma permanentemente entre la burbuja de gas y el electrodo. Por encima de cierto grosor de alfombra, la fuerza eléctrica ya no es capaz de tirar de la burbuja hacia atrás, lo que le permite elevarse. Este conocimiento ahora se puede utilizar para mejorar la eficiencia de todo el proceso.
Vuelos parabólicos confirman hallazgos
Para corroborar sus resultados, los investigadores repitieron el experimento durante un vuelo parabólico patrocinado por el Centro Aeroespacial Alemán (DLR). Esto les permitió examinar cómo los cambios en la flotabilidad influyen en la dinámica de las burbujas de gas. "La gravedad alterada durante una parábola nos permitió variar los parámetros físicos clave, que no pudimos influir en el laboratorio", explicó Aleksandr Bashkatov, autor principal del estudio recientemente publicado. El estudiante de doctorado en el HZDR realizó los experimentos a bordo del vuelo parabólico junto con otros colegas. Durante los períodos de gravedad cero aproximada, cuando se experimenta una caída libre durante un vuelo parabólico, la flotabilidad es prácticamente cero, pero se mejora mucho al final de la parábola.
A pesar de que los experimentos del equipo de investigación tuvieron que realizarse en condiciones de laboratorio simplificadas, los nuevos hallazgos contribuirán a aumentar la eficiencia de los electrolizadores en el futuro. Los investigadores, encabezados por Kerstin Eckert, actualmente planean asociarse con socios de Fraunhofer IFAM Dresden, TU Dresden, la Universidad de Ciencias Aplicadas de Zittau-Görlitz y socios industriales locales para un proyecto que explora la producción de hidrógeno verde en la región alemana de Lusacia. El objetivo del proyecto es mejorar la electrólisis del agua alcalina hasta el punto de que pueda reemplazar los combustibles fósiles. "Los electrolizadores alcalinos son mucho más baratos y ecológicos, y no utilizan recursos escasos porque no necesitan electrodos recubiertos de metales preciosos”.
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