El ciclo de metano separa la energía eólica de la demanda de electricidad

Los químicos del Instituto Leibniz de Catálisis (LIKAT) de Rostock son capaces de producir hidrógeno a partir del metanol en condiciones suaves de menos de cien grados centígrados y a presión ambiente, con el rendimiento y la pureza que requieren las pilas de combustible. Para lograrlo, optimizaron un proceso propio que habían publicado en Nature en su momento. La reacción catalítica es el núcleo del proyecto Metha-Cycle, un concepto de almacenamiento y uso de energías regenerativas financiado por el Ministerio Federal de Economía. Por primera vez, la energía eólica, la electrólisis y la síntesis de metanol basada en el CO2, así como la reconversión del metanol en H2 han sido directamente vinculadas.

“Un acoplamiento tan directo nunca ha existido antes”, dice el coordinador del proyecto, el Dr. Henrik Junge, líder de grupo en el LIKAT. El concepto puede acelerar significativamente el cambio de energía en las zonas rurales: Permite a las empresas y a los municipios abastecerse de electricidad “verde” independientemente de la energía eólica. Es bien sabido que la energía eléctrica procedente de la energía eólica no siempre se genera cuando más se necesita.

Almacenamiento de hidrógeno

Así es como funciona el Metha-Cycle: las turbinas eólicas (opcionalmente sistemas fotovoltaicos) producen energía eléctrica. Esta electricidad se utiliza para producir electrolíticamente hidrógeno a partir del agua, que a su vez se convierte en metanol utilizando CO2. El metanol, el representante más simple del grupo de los alcoholes, funciona así como un medio de almacenamiento de hidrógeno, como los químicos han sugerido durante mucho tiempo. Dr. Junge: “A diferencia del hidrógeno, el metanol es fácil de manejar y puede ser transportado a largas distancias. Si es necesario, el metanol se convierte de nuevo en H2 e inmediatamente después se utiliza en una pila de combustible para generar electricidad.

En la asociación de investigación Metha-Cycle, dirigida por LIKAT, los socios también utilizaron el calor residual de la pila de combustible para suministrar al sistema de recuperación de hidrógeno parte del calor de reacción necesario. La planta de pruebas de la Universidad Friedrich-Alexander (FAU) de Erlangen-Nürnberg demostró la eficiencia funcional del concepto en primavera con un tiempo de funcionamiento de casi 500 horas. La pila de combustible, desarrollada por el Centro de Tecnología de Pilas de Combustible (ZBT) de Duisburgo, produjo continuamente electricidad con una potencia de hasta 39 vatios.

Monto de la financiación: 1,8 millones de euros

Normalmente, para recuperar el hidrógeno del metanol se necesitan altas presiones y temperaturas de varios cientos de grados centígrados. Esto ha hecho que una aplicación general en el contexto de los conceptos de energía sea menos atractiva hasta ahora. En 2013, los químicos de LIKAT describieron en la revista Nature cómo produjeron H2 y CO2 a partir de una solución acuosa de metanol con la ayuda de un catalizador de rutenio en condiciones suaves por debajo de los cien grados centígrados. Esta reacción ahora tenía que ser optimizada. Porque para poder disparar una pila de combustible permanentemente, el proceso químico debe proporcionar suficiente H2 por unidad de tiempo, y esto también debe ser de cierta pureza.
Para este propósito, el grupo de investigación alrededor del Dr. Junge y el director del LIKAT, el Prof. Dr. Matthias Beller, se propuso analizar los procesos moleculares de la reacción. Henrik Junge ya estaba en contacto con potenciales socios para un proyecto conjunto con el objetivo de “desacoplar la aparición de la energía regenerativa de su consumo”, como él dice. Mientras tanto, el mundo entero comenzó a pensar en el papel del hidrógeno y el metanol para un cambio energético que salvara el clima. En otoño de 2016, el BMWi se hizo cargo de la financiación del proyecto Metha-Cycle durante tres años y medio con un total de 1,8 millones de euros.

“Análisis “mecanicista

Por su parte, los investigadores del LIKAT analizaron cómo funciona el catalizador de rutenio en la solución de metanol para llegar al H2 y al CO2, es decir, para volver a liberar el hidrógeno. Durante estas “investigaciones mecanicistas”, como llaman a los trabajos, descubrieron tres pasos conectados en cascada. Al final de cada uno de los dos primeros pasos, una parte del hidrógeno ya se ha producido y un producto intermedio, el llamado intermedio, también se produce. El primer paso es el formaldehído, que luego se procesa en presencia del catalizador en el segundo paso.

En el segundo paso de la cascada, se produce ácido fórmico, y LIKAT está muy familiarizado con esto. Porque hace 20 años, la empresa de Rostock logró liberar H2 del ácido fórmico a temperatura ambiente.
Pero el tercer paso, del ácido fórmico al hidrógeno, demostró ser el más lento, como dice Henrik Junge. “Ralentizó todo el sistema”. Así que la pila de combustible no habría sido capaz de obtener un suministro de H2 lo suficientemente rápido. Con el fin de poner la cascada en acción, los investigadores finalmente se decidieron por un sistema bicatalítico: le dieron a su catalizador de rutenio un segundo catalizador para ayudarles. Sorprendentemente, sólo necesitaron modificar ligeramente su primer catalizador.

Toque final en Erlangen

Los químicos también se sorprendieron por el efecto sinérgico de su sistema. Dr. Junge: “Cuando se combinan, los dos catalizadores permiten un mejor rendimiento de lo que la suma de sus actuaciones individuales habría producido”.
En la FAU Erlangen, los ingenieros de proceso que participaron en el proyecto hicieron que el bicatalizador se adaptara a un proceso continuo en la planta de pruebas, con lo que el consorcio de investigación Metha-Cycle demostró finalmente la funcionalidad del concepto. Para ello, los colegas impregnaron un portador sólido y altamente poroso con el complejo catalítico activo de Rostock. El metanol y el vapor de agua fluyen continuamente sobre este portador. El hidrógeno producido también se descarga continuamente para ser convertido inmediatamente en electricidad en la pila de combustible conectada.