Aunque el hidrógeno es un elemento abundante, generalmente no se encuentra como el gas puro H2, sino que generalmente está unido al oxígeno en agua (H2O) o al carbono en el metano (CH4), el componente principal del gas natural.

En la actualidad, el hidrógeno industrial se produce a partir del gas natural mediante un proceso que consume gran cantidad de energía y, al mismo tiempo, libera carbono a la atmósfera, lo que contribuye a las emisiones globales de carbono.

En un artículo publicado este domingo en la revista «Nature Chemistry«, expertos en Nanotecnología de la Escuela de Ingeniería de Stanford, en Estados Unidos, y de la Universidad de Aarhus, en Dinamarca, explicaron cómo liberar el hidrógeno del agua a escala industrial mediante el uso de la electrólisis.

En la electrólisis, la corriente eléctrica fluye a través de un electrodo metálico sumergido en agua. Este flujo de electrones induce una reacción química que rompe los enlaces entre los átomos de hidrógeno y oxígeno. El electrodo sirve como un catalizador, un material que puede estimular una reacción tras otra sin ser utilizado y el platino es el mejor catalizador para la electrólisis. Si el costo no es el objetivo, el platino podría ser utilizado para producir hidrógeno a partir de agua en la actualidad.

Pero el dinero importa, sobre todo en un mundo en el que se consumen alrededor de 55.000 millones de kilogramos de hidrógeno por año. En la actualidad, cuesta entre uno y dos dólares por kilogramo producir hidrógeno a partir de metano, por lo que cualquier proceso competitivo, incluso si es más ecológico, debe triunfar frente a ese coste de producción, por lo que se descarta la electrólisis a base de platino.

En el artículo, los autores del trabajo describen cómo rediseñaron la estructura atómica de un material industrial barato y común para que sea tan eficiente en la electrólisis como el platino, un descubrimiento que tiene el potencial de revolucionar la producción de hidrógeno industrial.

El proyecto fue concebido por Jakob Kibsgaard, un investigador postdoctoral con Thomas Jaramillo, profesor asistente de Ingeniería Química en Stanford. Kibsgaard comenzó este proyecto mientras trabaja con Flemming Besenbacher, profesor en el Centro Interdisciplinario de Nanociencia (iNANO) en Aarhus.

Desde la Segunda Guerra Mundial, los ingenieros de petróleo han utilizado disulfuro de molibdeno para ayudar a refinar el petróleo. Sin embargo, hasta ahora esta sustancia no se consideró un buen catalizador para producir hidrógeno del agua mediante electrólisis. Eventualmente, los científicos e ingenieros llegaron a entender por qué: los materiales de sulfuro de molibdeno más utilizados tenían una disposición inadecuada de los átomos en su superficie.

Típicamente, cada átomo de azufre en la superficie de un cristal de sulfuro de molibdeno está unido a tres átomos de molibdeno por debajo. Por razones complejas que involucran las propiedades de enlace atómico de hidrógeno, esa configuración no es propicia para la electrólisis.

En 2004, el profesor de Ingeniería Química de Stanford Jens Norskov, entonces en la Universidad Técnica de Dinamarca, hizo un descubrimiento importante. Alrededor de los bordes del cristal, algunos átomos de azufre están obligados a tener sólo dos átomos de molibdeno. En estos sitios del borde, que se caracterizan por enlaces dobles en vez de triples, el sulfuro de molibdeno era mucho más eficaz en la formación de H2.

Armado con ese conocimiento, Kibsgaard encontró una receta de 30 años de antigüedad para hacer una forma de sulfuro de molibdeno con una gran cantidad de estos sulfuros con doble enlace en el borde. Mediante el uso de la química simple, sintetizó nanoclusters de este sulfuro de molibdeno especial y los puso en una hoja de grafito, un material que conduce electricidad. Juntos, el grafito y el sulfuro de molibdeno forman un electrodo barato. Se suponía que debía ser un sustituto para el platino, el catalizador ideal, pero caro para la electrólisis.

La pregunta que se planteaba es si este electrodo podría estimular eficazmente la reacción química que reordena los átomos de hidrógeno y oxígeno en el agua. Jaramillo responde: «La química es todo acerca de dónde quieren ir los electrones y la catálisis se trata de obtener que esos electrones se muevan para hacer y romper enlaces químicos «.

Así, los expertos sumergieron su electrodo compuesto en agua que fue ligeramente acidificada, lo que significa que contiene iones de hidrógeno cargados positivamente. Estos iones positivos se sintieron atraídos por los grupos de sulfuro de molibdeno y su forma de doble enlace les dio sólo la característica atómica idónea para transmitir electrones desde el conductor grafito hasta los iones positivos. Esta transferencia de electrones volvió los iones positivos en hidrógeno molecular neutro, que burbujeó hacia arriba y lejos como un gas.

Demanda global de hidrógeno

Lo más importante que vieron los investigadores es que su catalizador de sulfuro de molibdeno barato tenía potencial para liberar el hidrógeno del agua de forma similar a la eficiencia de un sistema basado en el platino prohibitivamente caro. Entonces, surgió la duda de si podría esta tecnología con la escala de los 55.000 millones de kilogramos por año de demanda global de hidrógeno y en qué términos sería el costo por kilogramo.

El año pasado, Jaramillo y una docena de los coautores estudiaron cuatro esquemas de producción a escala de fábrica en un artículo para «Energy and Environmental Science«. Llegaron a la conclusión de que podría ser posible producir hidrógeno en las instalaciones de electrólisis a escala de fábrica con costos que van desde 1,60 y 10,40 dólares por kilo.

«Hay muchas piezas del rompecabezas todavía necesarias para hacer este trabajo y mucho esfuerzo por delante para darse cuenta de ellas», reconció Jaramillo. «Sin embargo, podemos obtener grandes ganancias al pasar de recursos intensivos en carbono a tecnologías sostenibles renovables para producir los productos químicos que necesitamos para la alimentación y la energía«, concluyó.

El Ejecutivo comunitario ha renunciado también a presentar una directiva para regular la extracción de gas no convencional mediante fracturación hidráulica (fracking), y se limitará de momento a dirigir una recomendación a los Estados miembros sobre la evaluación de impacto y las consultas públicas que deben hacer antes de autorizar estos proyectos, según fuentes comunitarias.

Con este paquete de medidas sobre energía y cambio climático que presentará la semana que viene, el Ejecutivo comunitario pretende dar seguimiento al triple objetivo obligatorio que la UE se fijó para 2020: un 20% de recorte de emisiones, un 20% de cuota de renovables y un 20% de ahorro energético.

Sin embargo, la fuerte crisis económica que ha vivido la UE en los últimos años ha dejado en segundo plano la lucha contra el cambio climático y ha hecho que aumente la presión para relajar las metas de reducción de emisiones y de renovables, en particular de la industria, que alega que está perdiendo competitividad respecto a empresas de otras áreas del mundo con legislación medioambiental menos estricta.

Así, incluso dentro del propio Ejecutivo comunitario persiste una discusión «muy intensa» sobre cuál debe ser el objetivo de reducción de emisiones para 2030. La comisaria de Acción por el Clima, Connie Hedegaard, defiende un recorte del 40% y cuenta con el apoyo de España, Francia, Reino Unido, Italia, Alemania y Holanda -que firmaron una carta conjunta-; pero también de Irlanda, Dinamarca, Suecia, Eslovenia, Portugal o Finlandia.

Sin embargo, algunos comisarios reclaman rebajar el objetivo hasta el 35% alegando que debe preservarse la competitividad de la industria europea. Entre ellos se encuentran el de Industria, el italiano Antonio Tajani, o el de Energía, el alemán Günther Oettinger. Pero también otros procedentes de los países del este -más dependientes del carbón- como el de Presupuestos, el polaco Janusz Lewandowski; el de Administración, el eslovaco Maros Sefcovic; o el de Agricultura, Dacian Ciolos, según las fuentes consultadas. El presidente de la Comisión, José Manuel Durao Barroso, todavía no ha zanjado el debate y es probable que prosiga hasta el mismo 22 de enero.

La patronal europea, BusinessEurope, ya ha dicho que un recorte del 40% sería excesivo porque el resto de socios internacionales de la UE no están haciendo esfuerzos comparables. En contraste, las organizaciones ecologistas creen que el objetivo del 40% no es suficientemente ambicioso para frenar el calentamiento global.

En la última semana, el Ejecutivo comunitario ha cambiado de posición sobre una nueva cuota obligatoria para las renovables, que hace unos días parecía descartada. La opción que se está imponiendo en el colegio de comisarios, según las fuentes consultadas, consistiría en fijar un objetivo jurídicamente vinculante para la UE en 2030, que sería del 25% si el recorte de emisiones es del 35% o del 27% si es del 40%.

Sin embargo, no habría metas individuales para cada Estado miembro, como ocurre en la actualidad, algo que Bruselas justifica por la necesidad de respetar las importantes diferencias en la cesta energética de cada país. Mientras Alemania y Francia han firmado una carta con otros seis países – Austria, Bélgica, Dinamarca, Irlanda, Italia y Portugal- en la que piden a la Comisión un nuevo objetivo de renovables para 2030 que incentive las inversiones en el sector, otros países con Reino Unido rechazan un objetivo obligatorio porque su apuesta se dirige más a la energía nuclear o al gas pizarra.

Tampoco España -donde las primas a las renovables son uno de los factores que ha disparado el déficit de tarifa eléctrica- quiere que la UE fije un nuevo objetivo para 2030, según las fuentes consultadas.

De acuerdo con la propuesta que prepara la Comisión, los Estados miembros deberán elaborar planes de acción obligatorios, en los que expliquen qué pretenden hacer en materia de renovables. El Ejecutivo comunitario evaluará si los planes son suficientes para alcanzar el objetivo europeo y, en caso contrario, podría pedir medidas adicionales o incluso legislar.

Lo que sí está claro es que el Ejecutivo comunitario renuncia a fijar ningún nuevo objetivo para 2030 en materia de eficiencia energética, aunque dejará la puerta abierta para hacerlo en el futuro cuando se revise la directiva que se ocupa de esta cuestión. La Eurocámara había reclamado una cuota de ahorro energético del 40%.

Los nuevos objetivos deberán ser refrendados por los jefes de Estado y de Gobierno de los 28 en la cumbre que celebrarán a finales de marzo.

Además de los nuevos objetivos en materia de energía y cambio climático, y las recomendaciones sobre fracking, la Comisión presentará un estudio comparativo sobre los precios de la energía en los Estados miembros y una propuesta para reformar el mercado de emisiones de CO2.

El estudio sitúa a España como el país de la Unión Europea con mayores costes en la actividad de distribución de electricidad por kilovatio hora (kWh). Pero las eléctricas aseguran que las conclusiones de este informe son «erróneas y alejadas de la realidad». Según Bruselas, estos costes ascienden a 6 céntimos, muy superiores a los países más baratos, Reino Unido y Bulgaria, con apenas 0,5 céntimos, y lideran la clasificación de la UE, por delante de Eslovaquia, Bélgica o Suecia, donde el coste ronda los 5 céntimos.

En cuanto al sistema de comercio de emisiones, la Comisión plantea que en momentos de crisis económica puedan retirarse del mercado permisos de CO2 para evitar un exceso de oferta y que los precios se desplomen. Estos permisos, que quedarían en una especie de reserva, volverían al mercado cuando la economía vaya bien y aumente el consumo energético.

Bruselas propone que los criterios para determinar cuándo deben retirarse permisos de CO2 del mercado estén predefinidos -teniendo en cuenta las previsiones económicas de la Comisión o los índices de producción industrial- y se apliquen de forma automática, sin una autoridad central de regulación.

El Grupo de Química Organometálica y Catálisis Homogénea de la UJI, coordinado por Eduardo Peris, desarrolló el que es el catalizador más activo que existe hasta el momento para la activación -en lenguaje químico «rotura»- de enlaces carbono flúor, que son los enlaces más fuertes que existen en moléculas orgánicas, por lo que resultan también los más difíciles de romper, de ahí la gran dificultad de descomponer los compuestos orgánicos fluorados.

La relevancia de los resultados alcanzados llevó a que el trabajo, codirigido por José A. Mata y en el que participó la doctoranda Sara Sabater, haya sido publicado en la revista Nature Communications, donde recibió casi un millar de visitas en menos de un mes. El trabajo tiene un valor añadido para la universidad de Castellón, ya que fue desarrollado enteramente por tres investigadores de la UJI.

Debido a su elevada estabilidad, los CFCs experimentaron un gran desarrollo durante los años 80 del pasado siglo, fundamentalmente por su aplicación en productos como aerosoles, gases de nevera, entre otros, hasta que se evidenció su elevado efecto perjudicial, ya que, al llegar a la atmósfera y, por la acción del sol, se descomponen fotoquímicamente creando radicales libres que destruyen la capa de ozono.

Esto provocó que una gran cantidad de compuestos CFCs volátiles se quedaran en stock, sin posibilidades de eliminarse debido al elevado coste energético que ello supone.

El diseño del catalizador parte de la combinación de dos metales diferentes que actúen de forma sinérgica. Así pues, uno de los metales rompe el enlace carbono-flúor (paladio), y el otro introduce hidrógeno (rutenio).

La idea generó una gran expectación en los foros especializados, y la explotación de catalizadores heterometálicos (con dos metales diferentes), ya situó al grupo de investigación de la UJI en la vanguardia internacional de la investigación en catálisis, ya que el uso de catalizadores heterometálicos permite concatenar de forma secuencial procesos catalíticos, lo que facilita la obtención de moléculas muy sofisticadas minimizando costes y simplificando los procedimientos experimentales.

El grupo está trabajando ahora en una nueva fase de la investigación consistente en facilitar la reacción inversa, lo que facilitaría introducir flúor en otro tipo de compuestos. La obtención de moléculas fluoradas podría tener una gran repercusión en diferentes campos como, por ejemplo, en el de la industria farmacéutica para el desarrollo de medicamentos, según la UJI.