Hidrógeno y celdas de combustible, binomio de investigación en el Instituto de Energías Renovables de la UNAM

Presentamos hoy, una nueva conversación desde el ámbito científico mexicano y desde los laboratorios del Instituto de Energías Renovables (IER) de nuestra Universidad Nacional Autónoma de México, centro universitario ubicado en la zona de Temixco en el estado de Morelos, región inmejorable para la investigación en energías renovables, micro redes, hidrógeno y todas las áreas científicas convergentes.

Hoy la charla a profundidad nos la concedió el investigador Arturo Fernández Madrigal y la presentamos en dos entregas editoriales.

El investigador es académico y tiene un nombre reconocido en el mundo del hidrógeno y celdas fotovoltaicas dentro y fuera de nuestras fronteras. Sus líneas de investigación que ha desarrollado tanto en el IER como en otros centros académicos es vasto.

Ha participado en el estudio y la elaboración de celdas solares mediante películas delgadas de diselenuro de cobre indio y galio. En la elaboración y caracterización de una cámara de selenización para el tratamiento de absorbedores solares basados en metales calcogenuros y en películas semiconductores para aplicaciones fotovoltaicas y fotocatalíticas.

En el tema del hidrógeno, Fernández Madrigal ha participado en la preparación y caracterización de estructuras foto-electroquímicas basadas en semiconductores para su aplicación en hidrógeno vía la fotoelectrolisis.

Aquí nuestra conversación y la primera entrega editorial de nuestra charla con el investigador de la Universidad Nacional Autónoma de México.

Arturo Fernández Madrigal, muchas gracias por esta conversación para pv magazine México.

¿Desde cuándo pertenece al claustro de investigadores del Instituto de Energías Renovables de la UNAM y cuáles son sus principales líneas de investigación?

Soy parte de la Universidad Nacional desde el año de 1980, y me he concentrado principalmente en tres líneas de investigación, las cuales están relacionadas con el desarrollo de materiales. La primera línea es:

• Desarrollo de celdas solares y muy en particular celdas de cobre-indio-galio-selenio, a este material se le utiliza como semiconductor en el diseño de las celdas a las que identificamos como celdas de película delgada.

El desarrollo de estas celdas ha evolucionado desde 1960; tuve contacto con ellas cuando me integré en una colaboración que hicimos con el Instituto de Energías Renovables de Estados Unidos, así fue cuando empecé a trabajar en el desarrollo de estas celdas a través de una técnica que se le conoce como electrodeposito que tiene varias ventajeas sobre las técnicas comerciales hoy conocidas. Este ha sido un momento importante que logramos en colaboración con aquel instituto, desarrollar celdas de este material que puede llegar hasta un 15 por ciento de eficiencia, esto no quiere decir que sea la mejor celda, pero con la técnica que usamos sí es la mejor.

Debemos recordar que actualmente hay dos tipos de eficiencia en celda solar: la conocida como eficiencia en celda y la eficiencia en módulo.

• Las otras dos líneas de investigación están relacionadas con el estudio del hidrógeno.

Una de ellas con el estudio de materiales semiconductores para el proceso de la fotoelectrolisis, un proceso en el que se absorbe la luz solar a través de una solución ácida vía un semiconductor, y el producto de esta absorción genera electrones, lo cual permite la descomposición del agua en hidrógeno y oxígeno; esto es muy semejante a lo que es la electrólisis común.

La segunda línea de investigación se desarrolla con materiales electrocatalíticos, la idea de usar estos materiales es para la construcción de celdas de combustible.

A estas celdas las llamamos ‘bifuncionales’, ¿pero cómo funciona una celda de combustible? A esta celda se le alimenta de hidrógeno y oxígeno con los catalizadores adecuados para descomponer ambos elementos y se forme agua y durante el proceso de formación del líquido también se genera energía eléctrica. Esta reacción es muy violenta, pero la idea de la celda de combustible es modular este tipo de reacciones.

Esta celda puede competir, en términos eléctricos, con motores de combustión interna y este es uno de los objetivos principales de esta línea de investigación, pues con el surgimiento de los autos eléctricos es muy prometedor esta celda.

Los autos eléctricos que hoy conocemos usan baterías de litio que son caras, difíciles, complejas y contaminantes; por lo tanto, la idea de usar celda de combustible es que esté recibiendo de manea constante, hidrógeno-oxígeno y este insumo puede ser obtenido tecnológicamente de formas diversas: electrolisis, fotoelectrolisis, etc.

La celda de combustible no sólo es usada en la industria automotriz también es utilizada en diferentes industrias, el abanico de usos es muy amplio.

El estudio de las celdas bifuncionales que es de mi interés profesional es porque a esta celda se le puede adaptar una fuente de generación de hidrógeno (electrolizador) y el combustible se genera cada vez que se requiere, lo cual no demanda de un dispositivo dentro del auto para almacenarlo.

Este proceso tecnológico es de alcances muy significativos haciendo una analogía es muy parecido a lo que planteaba en algunos de sus cuentos Julio Verne, el poeta francés aseguraba que “con el agua iba a mover y alimentar el mundo.”

¿Qué tan avanzados están los estudios sobre celdas bifuncionales?

El conocimiento sobre este tipo de celdas ya tiene muchos años, lo que no se ha hecho es su desarrollo a plenitud debido a diferentes circunstancias.

En mi caso, he dedicado el estudio al desarrollo de electrocatalizadores que nos permitirán que el dispositivo tenga esa doble función: genere y consuma hidrógeno, genere y consuma oxígeno, básicamente.

Esta línea de investigación va cobrando relevancia porque va a permitir aplicarla en varios dispositivos y en necesidades diversas.

¿Estas celdas vendrían a dar otro impulso a la tecnología de la electromovilidad?

Claro que sí. A lo largo de la evolución de la industria del automóvil se ha transitado por diversas etapas. En este momento estamos en la etapa de los autos eléctricos que para mi gusto tiene muchas limitaciones porque no hay una industria sólida en la manufactura de equipos para recarga y el tiempo que tarda una batería en cargarse todavía es muy considerable y es un proceso costoso.

A nivel industrial en el caso de celdas de combustible hay varios tipos y ya están en el mercado operando satisfactoriamente; pero aquí es importante mencionar que las celdas bifuncionales están en desarrollo, hace un tiempo la firma alemana Siemens en México tuvo interés de crear un proyecto para el desarrollo de esta tecnología porque ellos saben que las celdas bifuncionales es lo que viene.

¿En qué momento estamos en cuanto a la investigación del hidrógeno verde en México?

Hay mucho interés, pero en términos tecnológicos creo que tenemos capacidad muy limitada porque no está bien delimitada, definitivamente no está desarrollada.

Hoy tenemos centrales fotovoltaicas y eólicas que serán las que van a alimentar la generación de hidrógeno, pero una industria de electrolizadores no la tenemos en México aunque a nivel internacional sí y está adquiriendo mucha fuerza.

¿Existe ya producción de la molécula de hidrógeno en el país?

Sí y la producción se genera desde hace muchos años y Petróleos Mexicanos es la generadora de la molécula, pero no es un hidrógeno verde, importante definir esto.

La producción de la molécula verde en el país no es nada relevante, hay esfuerzos incipientes, por ejemplo, en la región de La Ventosa vía producción con aerogeneradores.

¿En qué tiempo considera que habrá producción?

La necesidad es muy fuerte y para ello se requeriría empresas que lo demanden y tengan la capacidad no sólo de comprar sino tengan las condiciones tecnológicas para su manejo. Hasta donde entiendo este hidrógeno verde, por el momento, sería requerido sólo para la generación de electricidad, y aquí es un punto relevante, el mercado de la electricidad y sus empresas son las que están fomentando la generación del hidrógeno verde.

Todo este contexto tecnológico permitirá que haya una industria de celdas de combustible y como lo hemos dicho, estas celdas ya se pueden adquirir en el mercado, pero en México nos hace falta.

Para la Comisión Federal de Electricidad sería muy importante que se enfoque en estas tecnologías ya que el recurso solar y eólico, lo sabemos, es inmensurable en nuestro país.

¿Cuál es la posición de los laboratorios universitarios y de centros de investigación como el Instituto de Energías Renovables de la UNAM con respecto al tema?

En la academia ha habido muchos desarrollos, pero también muchos no han sido bien aprovechados; sabemos que el Instituto de Electricidad y Energías Limpias, el INEEL, ha trabajado el tema y han logrado un prototipo muy interesante sobre un automóvil de celda de combustible y como el INEEL está más cerca del sector y sobre todo de la Comisión Federal de Electricidad espero que incidan en ellos.

Aquí lo importante es la comunicación entre los centros de investigación y las universidades. Por fortuna tenemos en México varios grupos de investigación que se han ido desarrollando en hidrógeno verde, pero que no tienen el alcance ni el apoyo en cuanto a recursos; uno de estos sitios es el Centro de Investigación y Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional, el CINVESTAV, centro que ha realizado un muy buen trabajo tanto en celdas de combustible como electrolizadores, nosotros aquí mismo en nuestra UNAM hemos desarrollado trabajos de primer nivel y muy interesantes.

Pero el punto central para mí es la comunicación entre las entidades interesadas, proceso que ha sido insuficiente.

¿Se refiere a comunicación entre la academia o comunicación con las empresas?

Por ejemplo, la comunicación con el sector privado. En una ocasión vino una empresa y nos manifestó su interés, pero el problema es que con frecuencia las empresas no tienen claro los alcances de la tecnología y ello nos deja ver que hay un claro “divorcio” entre la academia y la industria, necesitamos abrir el diálogo entre ambos sectores. El tema del hidrógeno es enorme, amplio y da para muchas posibilidades en cuanto a innovación tecnológica.

Continuará la entrevista en una segunda entrega editorial.