Evaluando la producción de hidrógeno en el continente antártico
Evaluando la producción de hidrógeno en el continente antártico
Por María José Lavorante y Rodrigo Enrique García
Introducción
El continente antártico se extiende en torno al Polo Sur y está circunscripto por el Círculo Polar Antártico a los 66º 33' S, excepto la Península Antártica, que enfilando hacia el norte enfrenta a Sudamérica. Con la firma del Tratado Antártico en 1959, las áreas ubicadas al sur del paralelo de 60° hasta el Polo Sur han quedado destinadas exclusivamente al desarrollo de actividades científicas y técnicas, las cuales requieren de energía para la generación de electricidad, calor y para el transporte.
El Protocolo de Madrid de 1991 pretende ampliar la protección del medio ambiente en el continente antártico, así como de los ecosistemas dependientes o asociados. Por ello, para el suministro adecuado de energía, se tienen que buscar fuentes primarias que posean el menor impacto posible, ya que el empleo de combustibles fósiles trae aparejado una gran cantidad de emisiones de gases de efecto invernadero. La energía proveniente del sol y del viento es una opción, pero, dado a su intermitencia, se pueden plantear alternativas para hacer un mejor aprovechamiento de esos recursos, así como el de los residuos.
Es por ello que en la División de Investigación y Desarrollo en Energías Renovables (DIDER), perteneciente al Instituto de Investigaciones Científicas y Técnicas para la Defensa (CITEDEF), nos abocamos, hace ya muchos años, al desarrollo de las tecnologías del hidrógeno, que incluyen tanto su producción como su uso.
En este punto, ya pueden tener algunas preguntas como ¿qué es el hidrógeno?, ¿qué propiedades tiene? y ¿por qué se investiga en un Instituto perteneciente al Ministerio de Defensa? Poco a poco verán que brindaremos esas respuestas.
Hablemos del hidrógeno
El hidrógeno (H2) es la sustancia más simple y abundante del universo, que tiene la característica de ser incolora, inodora e insípida y, aunque es el elemento más ligero de la tabla periódica, su energía por unidad de masa es tres veces superior a la de los combustibles líquidos convencionales. Asimismo, posee una muy baja densidad de energía por unidad de volumen.
El hidrógeno, si se obtiene de una fuente primaria de energía, es un vector energético, ya que es la sustancia portadora de energía. Una fuente primaria de energía es aquella que aún no ha sido transformada, refinada y que se encuentra en la naturaleza, como el crudo de petróleo o la biomasa. Una de sus características más importantes es que su uso no emite gases de efecto invernadero. Sin embargo, dependiendo de la materia prima seleccionada para la obtención de hidrógeno, puede generar grandes emisiones de dióxido de carbono (CO2).
Para su producción, hay una amplia variedad de procesos que se pueden dividir en dos grandes categorías de acuerdo a la materia prima empleada: no renovables y renovables. La primera de ellas procesa combustibles fósiles e incluye los métodos de reformado y pirolisis. La segunda categoría incluye métodos que emplean recursos renovables, como son la biomasa y el agua. La FIGURA 1 muestra los métodos de producción de hidrógeno según la materia prima empleada.
FIGURA 1. Métodos de producción de hidrógeno
Fuente: elaboración propia con base en Nikolaidis P., et.al. (2017).
¿Qué líneas de investigación tiene la División de Investigación en Energías Renovables?
En la DIDER investigamos tecnologías que emplean recursos renovables; una de ellas es la fermentación oscura. En este proceso, un gran número de microorganismos que actúan en conjunto proceden, en ausencia de O2, a degradar el material orgánico usado como alimento. El método consiste en tres etapas principales y cada una de ellas tiene una clase de microorganismos asociados. La primera etapa es la ruptura inicial de las macromoléculas presentes en el alimento (hidrólisis) a moléculas más pequeñas. Estas moléculas, pueden ser aprovechadas por el siguiente grupo de bacterias para alimentarse, generando ácidos grasos volátiles (acidogénesis) como subproducto de su crecimiento. Por último, un tercer grupo hará uso de los ácidos grasos generados para producir principalmente H2, CO2 y acetato (CH3COO1-) (acetogénesis) (García, 2012).
El proceso tiene numerosas ventajas: no depende de la luz, posee una elevada tasa de producción, puede complementarse con otros bioprocesos como la producción de biogás y es factible emplear una gran variedad de residuos orgánicos como alimento para los microorganismos (por ej.: residuos de alimentación, agroindustriales o de la industria azucarera). El uso de este tipo de material de bajo costo, que las bacterias digieren parcialmente como parte de su metabolismo, permite revalorizar los residuos a través de su empleo como materia prima de un material que de otra manera se consideraría un desecho. Además, se contribuye a reducir el costo de su tratamiento, ya que las bacterias disminuirán en parte la carga orgánica contenida en el material.
La otra tecnología desarrollada en la DIDER está vinculada con la obtención de hidrógeno a partir de la electrólisis de agua. Estos equipos emplean electricidad para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno. El corazón de estos dispositivos es donde el proceso de la ruptura tiene lugar, es decir, el proceso electroquímico propiamente dicho. La celda está compuesta por dos electrodos, que son superficies sobre las que tienen lugar las reacciones de formación de hidrógeno (cátodo) y oxígeno (ánodo). Los electrodos se encuentran inmersos en un líquido o contiguos a un sólido, llamado electrolito, sustancia que contiene partículas cargadas (iones), y que permite su movimiento, aunque no conduce electrones. Entre los electrodos se encuentra el diafragma que los separa y evita que los productos formados se mezclen. La FIGURA 2 presenta un esquema simplificado de una celda básica de electrólisis alcalina con los componentes antes mencionados. También la celda posee dos capas de transporte porosas que facilitan el desplazamiento de los reactivos y la remoción de los productos y, por último, las placas bipolares que dentro de sus numerosas funciones proveen del soporte mecánico y la distribución del flujo.
FIGURA 2. Esquema simplificado de una celda de electrólisis alcalina
Fuente: elaboración propia con base en Arif Khan M. et al. (2018).
Los electrolizadores de agua son considerados actualmente una tecnología clave para la descarbonización. Por un lado, convertirían la energía renovable en hidrógeno bajo en emisiones y, por otro, harían un aprovechamiento más sostenible del recurso renovable disponible al utilizar su excedente (en los momentos del día donde la demanda es menor que la generación). A nivel mundial, las energías renovables están ganando terreno en las matrices energéticas y se están convirtiendo en la fuente más barata de electricidad. Estos hechos permitirían que se pueda proporcionar energía a lugares remotos o sin acceso a la red de transporte de energía, así como comercializar a nivel mundial hidrógeno bajo en emisiones desde las regiones con mejores recursos renovables a otras, con terreno limitado o escaso potencial renovable.
Temas investigados, resultados alcanzados y proyectos en los que estamos trabajando
Hoy en día, se encuentra en desarrollo el proyecto denominado “Laboratorio de Energías Renovables Autosustentable con producción de Hidrógeno Verde”. Laboratorio que se instalará y realizará su puesta en marcha en la Base Esperanza (FIGURA 3), durante la campaña Antártica 2023/2024. El concepto general de funcionamiento es ser abastecido por energía renovable proveniente del sol y/o del viento. De esta forma se suministrará energía a la celda de electrólisis, para iniciar la producción de hidrógeno bajo en emisiones y, adicionalmente, el excedente se utilizará para abastecer de energía eléctrica a un laboratorio científico contiguo. Así, el laboratorio se alimenta y produce energía limpia. De esta manera, no solo se podría hacer un mejor aprovechamiento del recurso renovable, sino que se podría generar hidrógeno en el lugar. En un futuro y de manera paulatina entonces, se podrían obtener múltiples beneficios ya que no solo se estaría generando energía limpia, sino que también se disminuiría o evitaría el uso de combustibles fósiles, las emisiones asociadas y el costo que implica su traslado. El proyecto de Investigación, Desarrollo e Innovación (I&D+i) es interinstitucional ya que participa personal de la Dirección General de Investigación y Desarrollo del Ejército Argentino (DIGID-EA), del CITEDEF y del Comando Conjunto Antártico (CoCoAntar). El desarrollo de este proyecto posibilitaría al CITEDEF pasar de un Nivel de Madurez Tecnológica (NMT) 4 a uno 5 “validación de componentes y/o disposición de los mismos en un entorno relevante”, un paso más de esta tecnología para el desarrollo de la Defensa Nacional.
FIGURA 3. Base Esperanza, lugar donde se instalará el Laboratorio de Energías Renovables Autosustentable con producción de Hidrogeno Verde
Fuente: elaborado por el IGN.
Las líneas de investigación y desarrollo son posibles dado que el Ministerio de Defensa cuenta con el Programa de Investigación y Desarrollo para la Defensa (PIDDEF). Este programa tiene como finalidad fortalecer la actividad de investigación, desarrollo e innovación en temas de la Defensa Nacional mediante proyectos que se encuentran enfocados en la obtención de soluciones, demostradores y/o prototipos de nuevas tecnologías, destinados a actualizar, incrementar o incorporar capacidades para la Defensa Nacional. Desde el 2008, el Ministerio define anualmente las áreas tecnológicas de interés y permite que grupos de investigadores y desarrollistas de Organismos de la Administración Central y de las entidades descentralizadas del sector público nacional presenten sus propuestas. Estos proyectos pueden incluir una Institución Demandante de los organismos pertenecientes a la jurisdicción de Defensa, que son aquellos que poseen un problema o una necesidad que requiere una solución en puntual. Del mismo modo, los resultados del proyecto pueden ser aplicados por una Institución Adoptante.
Los subsidios conseguidos a través del Programa nos han permitido estudiar distintas fuentes de microorganismos productores de hidrógeno, provenientes de barros de plantas de tratamiento de aguas servidas de embarcaciones de la Armada Argentina, tierra y compost. También profundizamos en la evaluación de condiciones necesarias para su desarrollo, como son los nutrientes y los factores de crecimiento, entre otros, y en el escalado de la producción, que comenzó en recipientes de 0,25 litros y ahora se realiza en un tanque agitado de 5 litros. Así, se identificaron los microorganismos responsables del proceso, a través de la secuenciación genética de alto rendimiento de metagenomas y se determinó el rendimiento de producción empleando glucosa y sacarosa. Actualmente, estamos trabajando en un proyecto que tiene dos objetivos principales: estudiar el potencial de producción de hidrógeno a partir de los residuos de la alimentación generados en las bases de la Antártida Argentina y escalar el proceso a un volumen final de 25 litros. El escalado progresivo y el estudio de las dificultades encontradas en cada etapa son imprescindibles para la aplicación biotecnológica del proceso en escala comercial. De esta manera se estaría valorizando al residuo de la alimentación, convirtiéndolo en más adecuado para una economía circular, a través de la generación de energía limpia. El hidrógeno obtenido del proceso, además, se considera un candidato prometedor para sustituir a los combustibles fósiles y por ello, se podría utilizar para el desarrollo de las actividades en el continente antártico.
Los proyectos relacionados con el desarrollo de celdas de electrólisis de agua nos han permitido estudiar materiales de menor costo para la construcción de celdas y la mejora de su eficiencia. El conocimiento adquirido a través de distintas investigaciones (Lavorante, 2016) hizo posible que comenzáramos a diseñar y construir nuestras propias celdas mono y bipolares y, para poder caracterizarlas durante largos periodos de operación, se desarrolló un datalogger. Este permite conocer en tiempo real parámetros de importancia de su funcionamiento y analizar posteriormente los datos registrados. Con el anteúltimo proyecto, pudimos pasar de un NMT 3 “validación de prueba de concepto” a un NMT 4 “prototipo experimental validado”.
Agradecimientos
Los autores quieren agradecerle al Ministerio de Defensa y a las Autoridades de sus Instituciones (CITEDEF, DIIV) por el apoyo recibido a lo largo de los años en el desarrollo de estas líneas de trabajo. De igual modo, a los investigadores y técnicos de nuestro equipo: la Lic. Verónica Martínez, el Tec. Ricardo Aiello y el Tec. Superior Daniel Schiavo. Al Departamento de Prototipos; Materiales Avanzados y Procesos Estratégicos y Mecánica Aplicada del CITEDEF por formar parte, desde su disciplina de trabajo, en cada uno de los desarrollos aquí presentados.
Bibliografía
Autores
María José Lavorante. Licenciada en Ciencias Químicas. Jefa de la División de Investigación y Desarrollo en Energías Renovables en el Instituto de Investigaciones Científicas y Técnicas para la Defensa. mlavorante@citedef.gob.ar
Rodrigo Enrique García. Licenciado en Biotecnología, Investigador de la Dirección de Investigación de la Armada. rgarcia@citedef.gob.ar