Javier Dufour, responsable de la Unidad de Análisis de Sistemas de IMDEA Energía y catedrático de la Universidad Rey Juan Carlos, ha sido elegido miembro de la Junta Directiva de Hydrogen Europe Research como líder del Comité Técnico Transversal por un mandado de dos años.

Hydrogen Europe Research es una asociación internacional sin ánimo de lucro compuesta por más de 150 Universidades y Organizaciones de Investigación y Tecnología de 29 países de toda Europa y fuera de ella cuyo objetivo es desarrollar su actividad en el sector europeo del hidrógeno y las pilas de combustible, promocionando este tipo de tecnologías, así como soluciones energéticas sostenibles para un futuro más limpio.

Recientemente Dufour fue también elegido parte del equipo de expertos que componen el Panel Europeo en Sostenibilidad y Circularidad del Hidrógeno de la Clean Hydrogen Partnership.

La enorme demanda mundial de energía es una de las principales preocupaciones a las que se enfrenta nuestra sociedad. La sobrepoblación y la industrialización han llevado al consumo extremo de los tradicionales y altamente contaminantes, combustibles fósiles. La Unión Europea (UE) aspira a ser climáticamente neutra en 2050, con una economía con cero emisiones netas de gases de efecto invernadero, en consonancia con el Acuerdo de París de 2015.

El hidrógeno es un vector energético limpio y un candidato prometedor para sustituir al carbono, ya que es el elemento más abundante del universo, es sostenible, no es tóxico y tiene un alto rendimiento energético. Además, es respetuoso con el medio ambiente si se produce a partir de materias primas renovables y sostenibles, como el agua, denominándose hidrógeno verde.

Sin embargo, el camino no está exento de retos. El principal de ellos se relaciona con la naturaleza del proceso para generar el hidrógeno deseado en las cantidades, forma y pureza adecuadas. La fuente natural de obtención es el agua, el recurso más abundante de nuestro planeta. Sin embargo, la división del agua en sus componentes fundamentales, hidrógeno y oxígeno, no es trivial y requiere de un aporte energético muy elevado.

Hasta el momento, esta tecnología ha funcionado muy bien con aguas relativamente puras. Sin embargo, la verdadera limitación radica en el empleo de aguas contaminadas, residuales o incluso marinas, más abundantes y de acceso inmediato, pero más complejas al presentar un elevado porcentaje de materia orgánica y distintos iones inorgánicos. Estos impactan en el proceso de generación del hidrógeno, modificando la velocidad de producción del gas y la reciclabilidad de los materiales catalizadores.

¿Y cómo generamos hidrógeno?

En la actualidad, el proceso de generación de hidrógeno implantado a escala industrial es la electrolisis, en el que la molécula de agua se divide en sus componentes elementales mediante la acción de una corriente eléctrica. La alta eficiencia y pureza del producto obtenido contrastan con el elevado coste de sus materiales (electrodos de platino, iridio y rutenio, membrana de Nafion®), mantenimiento de las celdas (400-700 $·kW⁻¹) y el precio de la corriente eléctrica necesaria (6-7 kW·h por m³ de hidrógeno).

Además, el proceso muestra una gran dependencia de la composición del agua y la concentración de los compuestos químicos, dificultando la producción de hidrógeno a partir de aguas contaminadas.

Como alternativa, surge la vía fotocatalítica. En este caso, el hidrógeno se produce por la fotodivisión de la molécula de agua empleando un catalizador que absorbe la luz solar. Si bien la eficiencia de este método es inferior a la observada en la electrolisis (<10% vs. <70%), también lo es el coste de fabricación y mantenimiento.

Idealmente, la reacción global de descomposición del agua consta de dos semirreacciones: producción de hidrógeno (la que nos interesa) y de oxígeno. Desafortunadamente, la reacción global suele verse ralentizada por este último gas, de más volumen que el hidrógeno, y que debe ser evacuado para una producción constante del producto.

Sin embargo, cuando esta tecnología se emplea en aguas contaminadas o residuales, el oxígeno generado en el proceso reacciona con la materia orgánica. De esta manera, no solo ayuda a su fotodegradación, sino también genera mayor cantidad de hidrógeno respecto al uso de agua pura porque no es necesario aplicar tanta energía ni hace necesario evacuar el oxígeno.

Además, los productos secundarios de estos procesos suelen ser menos tóxicos, generando un agua que, si bien aún no es apta para el consumo humano, ya no contiene gran parte de los contaminantes anteriormente presentes.

Lamentablemente, la viabilidad de un dispositivo a gran escala basado en esta aproximación aún no está demostrada. Entre otros motivos, debido a la limitada disponibilidad de fotocatalizadores robustos, sintetizables en gran escala, con una actividad catalítica elevada y estables en las condiciones de trabajo.

Nuevos compuestos para hacer viable el proceso

En IMDEA Energía participamos en el proyecto HYLIOS, que tiene como objetivo la fabricación de nuevos sistemas fotocatalíticos para la producción de hidrógeno verde a partir de aguas residuales, en colaboración con el Instituto de Tecnología Química (ITQ, CSIC-UPV, Universitat Politècnica de València) y otras entidades de carácter industrial y empresarial que incluyen a Lantania, Ansasol y el Centro Tecnológico Industrial de Castilla-La Mancha (ITECAM).

Nuestro trabajo consiste en diseñar materiales innovadores capaces de captar de forma eficiente la energía del sol y emplearla en la producción de hidrógeno a partir de aguas contaminadas. La meta es generar hidrógeno en estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR). El oxígeno producido se puede emplear para el tratamiento de potabilización de las propias aguas, al destruir la materia orgánica en suspensión y degradando gran parte de las moléculas orgánicas del medio, disminuyendo así su toxicidad.

Proponemos la fabricación de unos polímeros denominados redes metal-orgánicas (de Metal-Organic Frameworks, MOF), que facilitan la fotodivisión de la molécula de agua.

Recientemente, hemos desarrollado el MOF IEF-11 (de IMDEA Energy Frameworks), basado en las unidades fotoactivas titanio y ácido escuárico, logrando una de las mayores eficiencias fotocatalíticas descritas hasta el momento en la reacción de la fotodivisión del agua para un material de tipo MOF, y comparable al fotocatalizador por excelencia, el óxido de titanio.

En HYLIOS trabajamos en la modificación de este polímero con objeto de mejorar la estabilidad y la actividad del sistema, modulando la fracción de radiación de luz solar que puede absorber.

Así, esperamos solventar no solo el problema de la carencia actual de materiales fotoactivos estables, sino también convertir las estaciones de aguas residuales en pequeñas plantas de producción de hidrógeno verde.

¿Cómo se afronta desde el sector científico e industrial el reto de la transición energética y la economía circular?

Para analizarlo, esta semana hemos contado en IMDEA Energía con la ponencia de protagonistas clave de diferentes instituciones y empresas en el marco de una jornada sobre productos y combustibles sostenibles.

Tras la inauguración del acto a cargo del Director de IMDEA Energía, David Serrano Granados, quien presentó el centro y las principales líneas de investigación; personal científico de IMDEA Energía y de la Universidad Rey Juan Carlos detallaron avances y resultados en los procesos de pirólisis catalítica avanzada de lignocelulosa y de valorización de vinazas y digestatos referente al Proyecto UPGRES.

Estibaliz Castillo Ovejero, Científico Senior en Economía Circular de Repsol y Luis Alberto Sebastián González, Director Técnico de Genia Bionergy, explicaron cómo trabajan en la compañía con residuos de origen bio y su integración en procesos de refinería., mientras que Marisa Hernández Latorre, CEO de la Ingelia, presentó a los asistentes la carbonización hidrotermal.

Por su parte, Susana Pelegrin Preixens. Directora técnica adjunta, FCC Ámbito, habló de la importancia de los residuos como materias primas, y Jesús María Lata Pérez, Director de Tecnología de Sener, destacó el papel de la tecnología en los procesos industriales.

El encuentro finalizó con una mesa redonda en el que ponentes y asistentes resolvieron consultas y debatieron sobre las vías para impulsar el desafío tecnológico, económico, energético, industrial y social que supone avanzar hacia una sociedad más sostenible.

IMDEA Energy Institute is seeking talented postdoctoral researchers to apply for the MSCA-2024-PF, with a submission deadline of September 11^th, 2024. The institute has extensive experience in hosting and training postdoctoral fellows, having received several EU-funded MSCA grants, including 7 MSCA-PF and 4 COFUND, which have supported 32 postdoctoral fellowships. Additionally, IMDEA Energy Institute has been awarded the Seal of Excellence in Human Resources for Research (HRS4R).

Marie Skłodowska-Curie Postdoctoral Fellowships (MSCA-PF) are highly esteemed positions funded by the European Union, designed to support researchers aiming to pursue their work, gain new skills, and advance their careers. These fellowships offer a highly competitive salary and benefits, including mobility and family allowances, as well as research costs.

Who we are?

The IMDEA Energy Institute is a Maria de Maeztu Research Centre located close to Madrid (Móstoles – Spain), which aims at contributing to the establishment of an efficient and sustainable energy system with a high degree of decarbonisation, economically competitive and securing energy supply. To this end, its research efforts are concentrated on promoting the development of renewable energies and clean energy technologies.

Check out the Expressions of Interests (EOI) offered by IMDEA Energy Research Groups and apply to join us in the following energy fields:

• Management of future electricity networks and energy systems (Supervisor M. Prodanovic)
• Development of frameworks for assessing the technical, economic, environmental and social performance of energy systems (Supervisor J. Dufour)
• Biotechnological innovations in sustainable bioproducts (Supervisor E. Tomás)
• Development of high temperature technologies based on concentrating solar energy for synthesis of solar fuels and chemicals, heat and electricity generation (Supervisor J. González)
• Development of hybrid materials for photocatalytic and photoelectrocatalytic reactions of energy and environmental interest, including the use of Artificial Intelligence tools (Supervisors V. A. de la Peña O’Shea | M. Liras)
• Creation of new concepts and technological alternatives for electrochemical energy storage (Supervisors J. Palma | R. Marcilla)
• Development of catalysts and processes to produce sustainable fuels and chemicals from various waste-derived sources (Supervisors D. Serrano | P. Pizarro).

How to express your interest in a MSCA Postdoctoral Fellowship at IMDEA Energy Institute:

Before sending your application, please carefully check the full description of the eligibility criteria, specific call requirements, deadlines in the Guide for Applicants and on the call page on the Funding & Tenders Portal.

Eligible candidates should send their interest to the supervisor/contact person indicated within each EOI, providing the required documents, no later than July 5^th, 2024.

Who are eligible for applying?

All interested researchers:

• must be in possession of a doctoral degree or have successfully defended their doctoral thesis prior to the date of submission (September 11^th,2024).
• must have a maximum of eight-years of research experience, from the date of the award of their PhD degree. Maternity leave, paternity leave, extended absence due to long-term illness, non-research employment, compulsory national service and Research conducted in a non-associated Third Country (TC), applicable to nationals or long-term residents of a Member State or Associated Country aiming to return to Europe will not count towards the above maximum.
• must comply with mobility rules: they must not have resided or worked in Spain for more than 12 months in the 36 months preceding the date of submission of the proposal.

(All admissibility and eligibility conditions are detailed in the Guide for Applicants 2024).

El próximo 14 de mayo las 11:30 horas tendrá lugar la defensa pública de la tesis doctoral de  desarrollada en la Unidad de Sistemas Eléctricos de IMDEA Energía y dirigida por Milan Prodanovic, responsable de esta unidad, y Javier Roldán, investigador titular de la misma.

La defensa tendrá lugar en la Universidad de Comillas.

Con motivo del Día Mundial Mundial de la Tierra que se conmemora el 22 de abril, IMDEA Energía ha abierto sus puertas a estudiantes de Secundaria del Instituto Antonio Gala de Móstoles.

Los alumnos y alumnas han visitado instalaciones como los laboratorios de Procesos Electroquímicos y Procesos Biotecnológicos, la planta piloto de microorganismos fotosintéticos y de Procesos Electroquímicos y el simulador solar y el campo solar, de la Unidad de Procesos de Alta Temperatura.

Los investigadores e ivnestigadoras del centro han explicado su trabajo de una forma práctica, resolviendo cuestiones y acercando al alumnado la importancia de avanzar y de contribuir hacia un futuro sostenible garantizando el cuidado del medio ambiente.

La transición hacia una economía sostenible es crucial en la lucha contra el cambio climático. En esta carrera hacia un futuro más limpio, las pilas de combustible a base de hidrógeno se presentan como una solución al problema energético mundial. Sin embargo, aún presentan algunos desafíos, como su elevado coste y durabilidad.

Grupos de investigación del Instituto IMDEA Energía (España), la Universidad de La Laguna (España), la Universidad de Tartu (Estonia) y el Instituto Charles Gerhard Montpellier (Francia) hemos combinado esfuerzos para encontrar una potencial solución. El proyecto C-MOF.Cell surge como una propuesta al desarrollo de pilas de combustible eficientes y asequibles para un futuro más sostenible.

Pilas que convierten el hidrógeno en electricidad

Las pilas de combustible de membrana de intercambio protónico o PEMFC, por sus siglas inglesas, han emergido como una solución prometedora para abordar los desafíos energéticos de la actualidad.

Estos sistemas electroquímicos, compuestos por un cátodo, un ánodo y una membrana electrolítica que permite el movimiento de iones a través del dispositivo, convierten el hidrógeno en electricidad con la emisión de agua como residuo, es decir, sin emitir contaminantes atmosféricos y utilizando fuentes renovables.

Esta tecnología presenta ventajas muy atractivas cuando se compara con otro tipo de dispositivos como las baterías o pilas alcalinas.

Las PEMFC son menos pesadas y más compactas, lo que las hace ideales para aplicaciones en dispositivos portátiles como los teléfonos inteligentes o el transporte. Además, son capaces de acumular más carga, cargarse más rápidamente y funcionar durante periodos más largos de tiempo mientras reciba una entrada constante de combustible (hidrógeno).

Por supuesto, la característica más destacable es su bajo impacto medioambiental, pues no emiten gases de efecto invernadero ni contaminantes.

Naves espaciales propulsadas por hidrógeno

Estos factores han llevado a muchos países a apostar por esta tecnología y usar el hidrógeno cómo vector energético para una movilidad sostenible. Por ejemplo, ciudades como Madrid ya han incorporado autobuses propulsados por hidrógeno en sus calles.

Actualmente, son uno de los principales candidatos para sustituir a la tecnología de pilas de combustible alcalinas.

Es tal el interés por este tipo de tecnología que desde los años 2000 se están realizando grandes esfuerzos para optimizar su implantación en expediciones aeroespaciales. Desde los vuelos espaciales Gemini llevados a cabo por la NASA, la tecnología PEMFC está evolucionando a pasos agigantados, desplazando el uso de pilas alcalinas en este área.

Sin embargo, se enfrenta aún a varios desafíos que limitan su implantación. Por un lado, es dependiente de metales preciosos muy escasos y costosos, como el platino. Por otro, es muy sensible a las condiciones de operación –variaciones en la temperatura, humedad o presión pueden afectar a la membrana electrolítica de la pila, modificando su conductividad–, lo que afecta su durabilidad a largo plazo y limita su viabilidad en comparación con las tecnologías basadas en combustibles fósiles.

Nuevos materiales avanzados multifuncionales

Dentro del marco del proyecto europeo C-MOF.Cell, cada uno de los grupos de investigación ha aportado su experiencia única y conocimientos acerca de ciertos materiales innovadores para abordar los desafíos que enfrentan estos dispositivos.

En la Unidad de Materiales Porosos Avanzados del Instituto IMDEA Energía desarrollamos la síntesis de una clase de materiales conocidos como polímeros de coordinación porosos o MOF, por sus siglas en inglés (Metal-Organic frameworks).

Los MOF que hemos desarrollado han mostrado el potencial de mejorar la conductividad protónica –es decir, facilitar el movimiento libre de los iones o transportadores de carga a través del dispositivo– y la estabilidad de las membranas, abordando así uno los principales problemas de las PEMFC.

Por su parte, la Universidad de Tartu y la Universidad de La Laguna se enfocan en sintetizar catalizadores libres de metales preciosos para reemplazar el platino en los electrodos de estas pilas, con el objetivo de mejorar la eficiencia y reducir costes de producción.

Además, el Instituto Charles Gerhard Montpellier realiza el ensamblado y testado del dispositivo final, junto con estudios de simulación para identificar los mejores materiales en esta aplicación.

Fruto de estos esfuerzos, se han publicado varios trabajos de investigación en revistas prestigiosas con resultados muy prometedores. Entre los avances conseguidos, cabe destacar un MOF basado en bismuto y otro MOF composite basado en zirconio y potasio que han mostrado valores de conductividad protónica competitivos, similares a electrolitos comerciales.

También se han conseguido preparar electrodos basados en metales de transición y materiales bidimensionales con una alta eficiencia sin usar el tan preciado platino.

En conjunto, la labor investigadora de estos grupos ha impulsado el desarrollo de una pila de combustible en la búsqueda de un avance significativo hacia la creación de PEMFC más eficientes y accesibles.

Un futuro más limpio y sostenible

En resumen, el futuro de las PEMFC es bastante prometedor, pero enfrenta varios desafíos importantes que deben abordarse para alcanzar su máximo potencial. Entre ellos figura la reducción de costes de producción, la mejora de la infraestructura de generación de hidrógeno actual, optimizar su durabilidad y eficiencia y escalar la tecnología para extender su implantación.

Por tanto, se espera que el proyecto C-MOF.Cell no solo contribuya al desarrollo de nuevas pilas de hidrógeno, sino que también cumpla con las exigencias y prioridades establecidas por la Unión Europea a través de iniciativas como Horizonte 2020, que promueven el desarrollo de tecnologías limpias y sostenibles.