Si queremos una oportunidad para pasar de lleno a la energía renovable, necesitaremos resolver un tema crucial: la tecnologías que puede convertir la electricidad del viento y el sol en un combustible – de forma de poder almacenarlo – y luego este poder ser vuelto a convertir en electricidad.

Los dispositivos comerciales que hacen esto existen, pero la mayoría son costosos y realizan solo la mitad de la ecuación. Ahora, los investigadores han creado aparatos a escala de laboratorio que hacen ambos trabajos. Si las versiones más grandes funcionan igual de bien, ayudarían a hacer posible, o al menos más asequible, mover el mundo con energías renovables.  

El mercado para tales tecnologías ha crecido junto con las energías renovables: en 2007, la energía solar y eólica proporcionaron solo el 0,8% de toda la energía en los Estados Unidos; en 2017, ese número fue del 8% según la Administración de Información de Energía.

Pero la demanda de electricidad a menudo no coincide con el suministro de energía solar y eólica. Por ejemplo, en la soleada California, los paneles solares producen más energía de la necesaria en el mediodía, pero nada por la noche, después de que la mayoría de los trabajadores y estudiantes regresan a sus hogares. 

Algunas empresas de servicios públicos están empezando a instalar bancos masivos de baterías con la esperanza de almacenar el exceso de energía para utilizarlo por la noche. Pero las baterías son costosas y almacenan solo la energía suficiente para respaldar la red durante unas pocas horas a lo sumo.

Otra opción es almacenar la energía convirtiéndola en combustible de hidrógeno. Los dispositivos llamados electrolizadores lo hacen usando electricidad, idealmente de energía solar y eólica, para dividir el agua en oxígeno e hidrógeno, un combustible libre de carbono. Un segundo conjunto de dispositivos llamados celdas de combustible puede convertir ese hidrógeno de nuevo en electricidad para alimentar automóviles, camiones y autobuses, o para alimentarlo a la red. 

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Pero los electrolizadores comerciales y las celdas de combustible usan diferentes catalizadores para acelerar las dos reacciones, lo que significa que un solo dispositivo no puede hacer ambas tareas. Para solucionar esto, los investigadores han estado experimentando con un tipo más nuevo de celda de combustible, llamada celda de combustible conductora de protones (PCFC), que puede producir combustible o convertirlo de nuevo en electricidad utilizando solo un conjunto de catalizadores.  

Los PCFC están formados por dos electrodos separados por una membrana que permite el paso de protones. En el primer electrodo, conocido como el electrodo de aire, el vapor y la electricidad se introducen en un catalizador cerámico, que divide las moléculas de agua del vapor en iones de hidrógeno cargados positivamente (protones), electrones y moléculas de oxígeno. Los electrones viajan a través de un cable externo al segundo electrodo, el electrodo de combustible, donde se encuentran con los protones que cruzaron la membrana. Allí, un catalizador a base de níquel los une para hacer hidrógeno gas (H2).

En PCFC anteriores, los catalizadores de níquel tuvieron un buen desempeño, pero los catalizadores cerámicos fueron ineficientes, y usaron menos del 70% de la electricidad para dividir las moléculas de agua. Mucha de la energía se perdió como calor. 

Ahora, dos equipos de investigación han logrado avances clave para mejorar esta eficiencia. Ambos se enfocaron en hacer mejoras al electrodo de aire, porque el electrodo de combustible a base de níquel hizo un buen trabajo. En enero, investigadores dirigidos por la química Sossina Haile de la Northwestern University en Evanston, Illinois, informaron en Energy & Environmental Science que crearon un electrodo de combustible hecho de una aleación de cerámica que contiene seis elementos que utilizan el 76% de su electricidad para dividir las moléculas de agua.

Y en Nature Energy, Ryan O’Hayre, químico de la Colorado School of Mines en Golden, informa que su equipo lo ha hecho mejor. Su electrodo de aleación de cerámica, compuesto por cinco elementos, aprovecha hasta el 98% de la energía que se alimenta para dividir el agua. 

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Cuando ambos equipos ejecutan sus configuraciones en reversa, el electrodo de combustible divide las moléculas H2 en protones y electrones. Los electrones viajan a través de un cable externo al electrodo de aire, lo que proporciona electricidad para alimentar los dispositivos. Cuando alcanzan el electrodo, se combinan con el oxígeno del aire y los protones que cruzan la membrana para producir agua.  

El último trabajo del grupo O’Hayre es “impresionante”, dice Haile. “La electricidad que estás generando es hacer H2 y no calentar tu sistema. Hicieron un muy buen trabajo con eso”. Aun así, advierte, tanto su nuevo dispositivo como el del laboratorio de O’Hayre son pequeñas demostraciones de laboratorio. Para que la tecnología tenga un impacto social, los investigadores deberán ampliar los dispositivos del tamaño de un botón, un proceso que generalmente reduce el rendimiento. Si los ingenieros pueden hacer que eso suceda, el costo de almacenar energía renovable podría caer abruptamente, ayudando a las empresas de servicios públicos a eliminar su dependencia de los combustibles fósiles.