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Un nuevo sistema de calentamiento interno permite mejorar significativamente la eficiencia del proceso y obtener carbono sólido de alto valor como subproducto.
Investigadores de Stanford University (California, EE.UU) han desarrollado un nuevo método para producir hidrógeno mediante pirólisis de metano que podría facilitar la escalabilidad industrial de esta tecnología. El sistema permite reducir las emisiones directas de CO₂ y, según los investigadores, multiplicar aproximadamente por diez la eficiencia energética respecto a los métodos convencionales de calentamiento externo.
La pirólisis de metano descompone el gas natural a elevada temperatura para obtener hidrógeno y carbono sólido, en lugar de generar CO₂ como ocurre en procesos convencionales de producción de hidrógeno a partir de combustibles fósiles. Sin embargo, su aplicación a gran escala se ha enfrentado a importantes retos relacionados tanto con la extracción continua del carbono como con el suministro eficiente de calor al reactor.
El trabajo de Stanford aborda especialmente este segundo desafío. Los reactores de grandes dimensiones necesitan alcanzar temperaturas cercanas a los 1.000 °C, pero los sistemas de calentamiento externo presentan dificultades para transferir el calor de manera uniforme hasta el interior del reactor.
La solución propuesta consiste en incorporar un quemador dentro del propio reactor, que utiliza una parte del hidrógeno producido para generar calor.
Al realizar una combustión controlada del hidrógeno, el principal producto generado es agua, evitando las emisiones directas de CO₂ asociadas a la combustión de gas natural. Este enfoque permite un calentamiento interno y autotérmico mucho más eficiente.
Según los investigadores, con la misma cantidad de energía, un reactor equipado con este sistema puede alcanzar una producción equivalente a la de aproximadamente diez reactores que emplean el calentamiento externo convencional.
"Hoy en día tomamos gas natural y producimos hidrógeno a partir de él, pero también se produce CO₂", explicó el coautor principal Henry Moise, investigador del Departamento de Ingeniería Química de la Facultad de Ingeniería de Stanford. "La pirólisis es un proceso similar, pero en lugar de producir CO₂, se produce carbono sólido".
Además, el proceso presenta un segundo atractivo industrial: el carbono sólido generado durante la pirólisis mostró una elevada calidad y un grado de grafitización superior al esperado. Este material podría encontrar aplicaciones en sectores como las baterías, los electrodos y otras tecnologías avanzadas, aportando valor adicional al proceso.
"Si se quiere llevar a cabo la pirólisis a la escala necesaria para satisfacer las demandas de los mercados de hidrógeno, hay que construir reactores muy grandes", afirma el autor principal, Matteo Cargnello, profesor asociado de ingeniería química en la Facultad de Ingeniería de Stanford. "Para calentar estos reactores a temperaturas muy elevadas, como 1 000 grados Celsius, los métodos de calentamiento deben ser muy eficientes".
«Todo se reduce a esta idea de eficiencia. Se pueden reducir las emisiones de CO₂ evitando generarlas desde el principio, pero también se pueden reducir siendo más eficientes en el uso de la energía», afirmó Moise. «Así pues, hay múltiples formas de lograr un proceso más sostenible».
El desarrollo resulta especialmente relevante para la industria química y energética, dado que el hidrógeno constituye una materia prima fundamental para la producción de amoníaco, metanol y combustibles refinados, entre otros productos. La posibilidad de combinar una mayor eficiencia energética con la generación de un subproducto potencialmente comercializable podría contribuir a mejorar la viabilidad económica de la pirólisis de metano a escala industrial.
No obstante, la tecnología todavía debe superar retos asociados al escalado del reactor, la gestión y extracción continua del carbono sólido y la integración energética del proceso antes de poder competir a gran escala con otras rutas de producción de hidrógeno de bajas emisiones.
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