Creado un nuevo modelo de producción de hidrógeno a partir de amoniaco más eficiente, seguro y escalable

Un grupo de investigación del Instituto de Tecnología Química (ITQ), centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universitat Politècnica de València (UPV), junto con personal investigador de la Universitat Politècnica de Catalunya – BarcelonaTech (UPC), ha desarrollado un nuevo modelo de control de producción de hidrógeno de nueva generación orientado a mejorar la seguridad, la eficiencia y la escalabilidad de esta tecnología. Este nuevo sistema integra los cuatro pasos para obtener hidrógeno a partir de amoniaco en un único reactor, logrando eficiencias energéticas sin precedentes y obteniendo hidrógeno de alta pureza para su almacenaje o transporte. Los resultados han sido publicados en la revista International Journal of Hydrogen Energy.

El amoniaco, debido a su alta densidad de hidrógeno (contiene un 17,6% de hidrógeno en peso) y a su infraestructura de producción y distribución consolidada, se considera uno de los portadores de hidrógeno más prometedores. Sin embargo, la extracción convencional de hidrógeno a partir del amoniaco requiere de varios procesos, que combinan el calentamiento a altas temperaturas con catalizadores (craqueo catalítico), separación y compresión, donde se producen importantes pérdidas de energía.

Esta investigación se enmarca en el proyecto SINGLE, que colidera el ITQ. Se centra en el modelado y el control de Reactores Electroquímicos de Cerámica de Protones (PCER por sus siglas en inglés), un sistema que permite que los protones (partículas cargadas positivamente) se muevan a través de una membrana cerámica mientras se realizan reacciones químicas controladas como la descomposición del amoniaco para generar hidrógeno y nitrógeno. Posteriormente, otro sistema electroquímico permite separar y presurizar el hidrogeno generado.

“El nuevo concepto PCER desarrollado en el proyecto SINGLE es una metodología innovadora que integra la deshidrogenación del amoníaco, la separación del hidrógeno y la compresión electroquímica en un único paso. Esto elimina la necesidad de fuentes de calor externas y compresores mecánicos, lo que mejora considerablemente la eficiencia energética general”, explica David Catalán, investigador postdoctoral en el ITQ y uno de los autores principales de la investigación.

Alta eficiencia energética

El componente tecnológico clave de PCER es la celda electroquímica, que está diseñada para funcionar como un catalizador duradero de deshidrogenación de amoniaco (ADH) y como una membrana para la separación y compresión de hidrógeno. Al integrar los cuatro pasos del proceso (craqueo catalítico, separación, purificación y compresión) en un único reactor, la tecnología logra eficiencias energéticas sin precedentes, a la vez que suministra, directamente, hidrógeno presurizado de alta pureza.

El correcto funcionamiento del PCER implica interacciones complejas entre fenómenos eléctricos, químicos y térmicos, lo que dificulta especialmente su control y monitorización. Para abordar este punto, el equipo del ITQ y la UPC ha ideado un eficiente modelo computacional capaz de describir el comportamiento dinámico de una celda electroquímica. Este modelo permite la implementación en tiempo real de algoritmos de control avanzados para garantizar un funcionamiento estable y evitar la pérdida de rendimiento, gracias al cual se consigue un control avanzado del sistema.

La investigación también introduce un algoritmo soft sensor diseñado para estimar en tiempo real variables internas clave, como la presión parcial de hidrógeno y la resistencia de la membrana, las cuales son cruciales para optimizar el rendimiento y prevenir la degradación del catalizador. “Mediante la fusión de modelos y datos, los soft sensors y los observadores convierten señales electroquímicas imprecisas en información fiable, lo que permite un conocimiento más profundo y un control eficaz del reactor", explica Andreu Cecilia, investigador de la UPC y uno de los autores principales del estudio.

El modelo propuesto se validó mediante una simulación multifísica de alta fidelidad que ha demostrado una sólida concordancia en métricas clave, como la eficiencia de extracción de hidrógeno, la conversión de amoníaco y la dinámica de la temperatura. Fundamentalmente, este modelo permite simular el comportamiento del reactor en tiempo real, una característica crucial para su futura implementación industrial.

CSIC Comunicación Comunidad Valenciana

comunicacion@csic.es