Embotellado de energía limpia en enlaces químicos

La intensidad de los recursos naturales que proporcionan energía renovable varía de un día a otro, así como de una temporada a otra. La primavera trae fuertes vientos que azotan los desiertos y llena los ríos con el deshielo. El verano es sinónimo de largas horas de luz solar antes de que los días se acorten a medida que el otoño da paso al invierno.

Necesitamos multitud de formas para almacenar energía renovable que coincidan con la forma en que la usamos, desde baterías hasta pilas de combustible. Las baterías funcionan bien para un almacenamiento de menor duración, del orden de horas hasta días. De los diferentes métodos de almacenamiento de energía renovable, uno destaca por proporcionar una forma de retener energía durante meses: almacenar energía en los enlaces químicos de moléculas como el hidrógeno.

A lo largo de décadas de investigación los científicos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) han elaborado información detallada sobre cómo los catalizadores ayudan a convertir la energía en enlaces moleculares: almacenando la energía formando enlaces y liberándola rompiendo los enlaces.  

Ahora, un equipo dirigido por el químico y becario de laboratorio Tom Autrey está trabajando para convertir el almacenamiento de energía química en configuraciones prácticas que algún día podrían ayudar a impulsar los vecindarios, la infraestructura y la industria. Para hacer eso, el equipo está estudiando sistemas completos, desde catalizadores hasta reactores y productos finales, y todo lo demás.

“Nuestro trabajo tiene en cuenta todo, desde los electrones hasta los dólares”, dice el químico Mark Bowden, colaborador en el proyecto desde hace mucho tiempo. El equipo interdisciplinario combina conocimientos en química, ingeniería, tecnoeconomía, así como teóricos de cálculos para examinar la viabilidad práctica de los sistemas de almacenamiento de energía química  a gran escala.    

El equipo tendrá un hogar de apoyo en el Centro de Ciencias de la Energía de PNNL , cuya apertura está programada para finales de este año. El edificio albergará a más de 250 miembros del personal y un conjunto de instrumentos científicos avanzados previamente distribuidos por el campus, lo que fomentará un entorno de colaboración para aprovechar la trayectoria de progreso del equipo.

La investigación en el Centro de Ciencias de la Energía también incluirá el trabajo centrado en el desarrollo de nuevos catalizadores para convertir la electricidad en enlaces químicos a través del Centro de Electrocatálisis Molecular.

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El hidrógeno como punto de partida

Las discusiones que involucran el almacenamiento químico a menudo giran en torno al hidrógeno como la molécula más prometedora de entre todas las posibilidades, señaló Autrey. Se puede producir al dividir el agua en gases de hidrógeno y oxígeno antes de usarse como fuente de energía libre de carbono. En una pila de combustible el hidrógeno se combina con el oxígeno para producir electricidad y agua.

Sin embargo, almacenar hidrógeno puro como gas o líquido es logísticamente difícil, ya que requiere tanques grandes de alta presión o temperaturas muy bajas. Los investigadores están desarrollando una variedad de soluciones de almacenamiento alternativas para contener hidrógeno en moléculas o materiales.

En PNNL, Autrey y el equipo están desarrollando sistemas portadores de hidrógeno que aprovechan las reacciones químicas para agregar y eliminar hidrógeno de moléculas estables bajo demanda. Todo un subcampo de la química estudia los catalizadores que realizan la adición y eliminación de hidrógeno. Los investigadores del PNNL se especializan en el diseño de catalizadores que facilitan el almacenamiento de hidrógeno en moléculas como ácido fórmico, metilciclohexano y butanodiol, entre otros.

El químico de PNNL, Ba Tran, dirigió el trabajo de prueba sobre la idoneidad del etanol rico en hidrógeno, combinado con un catalizador establecido, para ciclar con acetato de etilo y destinarlo al almacenamiento a largo plazo:
El hidrógeno permanece unido al etanol hasta que se necesita, cuando se puede liberar para su uso y el etanol se convierte en acetato de etilo. El catalizador puede agregar dos moléculas de hidrógeno a una sola molécula de acetato de etilo, produciendo dos moléculas de etanol estables que almacenan los hidrógenos.

Análisis trascendiendo el laboratorio

Además de comprender la química fundamental sobre la adición y liberación de hidrógeno de otras moléculas, Tran y sus colegas incorporaron datos de mediciones experimentales y simulaciones moleculares avanzadas en estudios de sistemas a mayor escala. “Queremos ver cómo se comportaría el proceso de almacenamiento de hidrógeno en etanol, y otras formas de almacenamiento de energía química, en un sistema a escala de aplicación”, dijo la química teórica Samantha Johnson .

En el estudio del etanol, por ejemplo, el equipo analizó el diseño de un reactor a una escala relevante para el almacenamiento de energía estacional en un vecindario. La química de las reacciones funcionó bien y el proyecto le enseñó al equipo valiosas lecciones sobre la ingeniería necesaria para un sistema práctico, llevándolos en nuevas direcciones para explorar diferentes portadores de hidrógeno.

Aterrizaje de la investigación en la realidad

Ya sea estudiando los detalles moleculares de cómo funciona un catalizador de hidrogenación o diseñando un sistema de almacenamiento a escala de vecindario, los investigadores siempre hacen preguntas que ayudarán a trasladar la investigación del laboratorio al mundo. El equipo adopta un enfoque cíclico para la resolución de problemas, donde diferentes partes de su investigación se informan entre sí y crean una imagen más completa de cómo funciona un sistema de almacenamiento de energía.

Reunir a investigadores con diversos antecedentes técnicos permite al equipo identificar problemas o desafíos que se pueden resolver para campos más allá del almacenamiento de energía.

El ambiente colaborativo y la instrumentación adicional del nuevo Centro de Ciencias de la Energía encaja con el trabajo que realiza el equipo. Su proyecto es parte de la amplia gama de investigación relacionada con la energía en PNNL que se verá acelerada por su acogida en el nuevo edificio. El Centro de Ciencias de la Energía reúne a investigadores de diferentes especialidades para fomentar la colaboración. Autrey opina: "Queremos ayudar a mover nuestra sociedad hacia un futuro centrado en las energías renovables".

Los investigadores agradecen el apoyo de la Oficina de Tecnologías de Celdas de Combustible e Hidrógeno de la Oficina de Eficiencia Energética y Energía Renovable, a través del Consorcio de Investigación Avanzada de Hidrógeno (HyMARC), establecido como parte de la Red de Materiales Energéticos del Departamento de Energía de EE. UU.