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El sistema combina la captación de humedad ambiental con la electrólisis y podría facilitar la producción de hidrógeno renovable en regiones áridas con escasez de agua.
Un grupo de universitarios investigadores de Egipto ha desarrollado y analizado un sistema capaz de producir hidrógeno verde utilizando como fuente de agua la humedad presente en el aire, una alternativa que podría contribuir a reducir una de las principales limitaciones de la electrólisis en regiones áridas: la disponibilidad de agua.
El trabajo, publicado el 9 de septiembre en la revista Scientific Reports, ha sido desarrollado por investigadores de Ain Shams University y de la Egyptian Chinese University, ambas en El Cairo. El equipo ha estudiado dos sistemas basados en la humedad atmosférica: un electrolizador directo de aire (DAE) y un sistema híbrido que combina un deshumidificador con un electrolizador alcalino (DH-AE).
La investigación parte de un problema especialmente relevante para regiones como Oriente Medio y el norte de África. Aunque estas zonas presentan un elevado potencial para la generación de energía solar, también sufren importantes restricciones de disponibilidad de agua dulce. La electrólisis convencional requiere aproximadamente 9 kg de agua de alta pureza por cada kilogramo de hidrógeno producido, lo que genera un importante vínculo entre disponibilidad de agua y producción de hidrógeno renovable.
La propuesta de los investigadores consiste en extraer del aire la humedad necesaria para alimentar el proceso de electrólisis, evitando así depender directamente de fuentes convencionales de agua.
El primer sistema analizado, denominado Direct Air Electrolyzer (DAE), utiliza un electrolito higroscópico capaz de absorber el vapor de agua presente en la atmósfera. En concreto, el prototipo estudiado emplea ácido sulfúrico en una matriz porosa, donde se produce la captación de humedad y posteriormente la electrólisis.
El segundo planteamiento, denominado Dehumidifier–Alkaline Electrolyzer (DH-AE), utiliza un sistema de deshumidificación basado en refrigeración por compresión de vapor. Este equipo condensa la humedad ambiental y obtiene agua líquida que posteriormente se introduce en un electrolizador alcalino convencional.
Uno de los aspectos destacados del estudio es que los investigadores han diseñado ambos sistemas teniendo en cuenta condiciones climáticas reales, utilizando como referencia las condiciones más desfavorables de humedad registradas en El Cairo.
El valor de diseño utilizado fue una humedad relativa del 38,19 %, obtenida a partir de los datos climáticos de NASA MERRA-2 correspondientes a los años 2021 y 2022. Según los investigadores, este escenario representa una condición especialmente exigente para el funcionamiento del sistema.
El equipo construyó un prototipo de electrolizador de aire directo en el Mechanical Power Engineering Laboratory de Ain Shams University.
El sistema está formado por cuatro módulos conectados en paralelo y utiliza electrodos de acero inoxidable 904L. Los investigadores realizaron ensayos experimentales y confirmaron la evolución de hidrógeno mediante la formación continua de burbujas y su recogida.
El estudio señala que el prototipo alcanzó tensiones de funcionamiento de entre 1,82 y 1,95 V por módulo, aunque los autores consideran que todavía es necesario realizar una caracterización experimental más completa, incluyendo mediciones precisas de producción de hidrógeno, eficiencia faradaica, pureza del gas y comportamiento a largo plazo.
La investigación también incorpora un sistema de control que integra sensores de humedad y temperatura, regulación PID de la corriente y supervisión mediante SCADA, con el objetivo de permitir un funcionamiento autónomo ante las variaciones de las condiciones ambientales.
Los resultados muestran que ambas arquitecturas pueden ofrecer una vía para desvincular la producción de hidrógeno de las fuentes convencionales de agua, aunque presentan diferentes niveles de eficiencia.
En el caso del sistema híbrido basado en deshumidificación y electrólisis alcalina, los investigadores calculan una eficiencia global del 68,5 %. Para el sistema de electrólisis directa del aire, el análisis teórico establece una eficiencia energética de hasta el 87,8 %, aunque el prototipo real presenta valores inferiores debido, entre otros factores, a las características de los electrodos utilizados.
El estudio también realiza un análisis tecnoeconómico para instalaciones con capacidades de entre 50 y 1.000 kg de hidrógeno al día. Para una capacidad de 1.000 kg/día, los investigadores estiman un coste nivelado del hidrógeno de aproximadamente 4,7 dólares por kilogramo para el sistema DAE, que se eleva hasta unos 5,8 dólares/kg cuando se incorporan costes completos de mantenimiento, reposición del electrolito y degradación.
Los investigadores consideran que esta tecnología puede resultar especialmente interesante para sistemas descentralizados de producción de hidrógeno en regiones áridas o semiáridas, donde existe un elevado potencial de generación solar pero el acceso al agua constituye una de las principales barreras para el desarrollo de la electrólisis.
No obstante, el propio estudio señala que todavía son necesarios ensayos a mayor escala, pruebas experimentales de larga duración y el desarrollo de electrolitos higroscópicos alternativos antes de plantear una implantación comercial. La captación de agua atmosférica, por tanto, se presenta como una vía de investigación con potencial para reducir la dependencia hídrica del hidrógeno verde, pero todavía en fase de desarrollo tecnológico.
Referencia: Design and control of atmospheric water electrolysis systems for green hydrogen in arid environments
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