Sin pasar por el hidrógeno Convertir el CO₂ directamente en combustibles y productos químicos

En la electrólisis directa de CO₂, se prescinde de la producción y el almacenamiento por separado de hidrógeno como primer paso del proceso. Sin embargo, para su uso industrial, las celdas deben consumir menos electricidad y funcionar de forma estable durante más tiempo. Dos proyectos de investigación pretenden superar estos obstáculos y, con ello, abrir nuevas vías para la obtención de materias primas químicas y combustible sintético para aviones.

En el futuro, el dióxido de carbono no solo deberá evitarse o capturarse, sino que también deberá utilizarse como materia prima: investigadores de la Universidad Técnica de Berlín están trabajando en procesos que permitan convertir el CO₂ directamente, con ayuda de la electricidad, en materias primas químicas y componentes para combustibles sintéticos. En los próximos tres años, dos nuevos proyectos de investigación abordarán diferentes retos: Mientras que Jethylen sigue desarrollando la conversión electroquímica directa de CO₂ en etileno como materia prima para el combustible sintético de aviación, Innocell trabaja en células de electrólisis más eficientes y escalables para la conversión de CO₂. Para ambos proyectos, el departamento de Electroquímica Técnica y Electrocatálisis de la Universidad Técnica de Berlín recibirá un total de unos 2,6 millones de euros.

En muchos procesos de fabricación de combustibles sintéticos, primero se descompone el agua, utilizando electricidad renovable procedente de la energía solar, eólica e hidráulica, en hidrógeno verde y oxígeno. Posteriormente, el hidrógeno se utiliza para sintetizar, junto con el CO₂, materias primas y productos intermedios para la industria química de los combustibles. Los investigadores de la Universidad Técnica de Berlín siguen un enfoque diferente: en la electrólisis directa de CO₂, el dióxido de carbono se hace reaccionar directamente con agua en una célula electroquímica. De este modo, se pueden obtener inmediatamente precursores químicos de combustibles, sin necesidad de producir y almacenar primero hidrógeno como vector energético independiente. «Las reacciones clave para ello ya se están llevando a cabo en el laboratorio», afirma el Prof. Dr. Peter Strasser, director del departamento de Electroquímica Técnica y Electrocatálisis. «Ahora se trata de hacer que los electrolizadores sean más eficientes, duraderos y de mayor tamaño».

El etileno como materia prima para el combustible sintético de aviación

El proyecto Jethylen se centra en la conversión electroquímica directa de CO₂ en etileno. El etileno es una materia prima importante para la industria química y puede servir como materia prima para la fabricación de combustible sintético para aviones. En un proceso posterior, se combina primero con hidrocarburos más largos y, a continuación, se somete a un procesamiento adicional. La ventaja de este proceso es que la reacción electroquímica directa del dióxido de carbono y el posterior procesamiento químico del etileno dan lugar a una cadena de procesos comparativamente corta a temperaturas relativamente bajas. De este modo, aumenta la eficiencia energética.

Siemens Energy coordina el proyecto como líder del consorcio. Otras instituciones asociadas son la Universidad Técnica de Berlín, el Instituto Fraunhofer de Ingeniería de Interfaces y Bioprocesos (IGB) y el think tank de transporte aéreo Bauhaus Luftfahrt. Juntos pretenden hacer que la electrólisis directa de CO₂ para producir etileno sea más eficiente, más duradera y aplicable a instalaciones de mayor tamaño. Para ello, está prevista una reducción de la tensión de la célula, que pasaría de los actuales 4,5 voltios aproximadamente a unos 2,5 voltios. «Con esta y otras medidas, queremos aumentar la eficiencia energética del 27 % actual al 50 %. Al mismo tiempo, aspiramos a un funcionamiento estable durante al menos 1.000 horas», afirma Strasser. En cuanto al tamaño, también se trata de un avance significativo: mientras que las instalaciones de laboratorio comparables suelen funcionar hasta ahora con superficies de electrodos de unos 10 centímetros cuadrados, la instalación técnica permitirá el funcionamiento de celdas con superficies de varios cientos de cm² y, partiendo de ahí, se desarrollarán conceptos para una escalabilidad industrial con superficies de electrodos de hasta 0,5 metros cuadrados —es decir, 5.000 centímetros cuadrados—. Jethylen cuenta con la financiación del Ministerio Federal de Investigación, Tecnología y Espacial (BMFTR), concretamente en el marco de la iniciativa de financiación DISCO₂ («Enfoques disruptivos para el uso industrial del CO₂»). El proyecto se desarrollará entre marzo de 2026 y febrero de 2029, y la Universidad Técnica de Berlín recibirá una subvención de aproximadamente un millón de euros.

Nuevas células para la electrólisis del CO₂

El segundo proyecto, Innocell, aborda otro reto: ¿cómo se pueden diseñar las células de electrólisis, en general, de modo que funcionen de forma eficiente y estable incluso a mayor escala? El punto de partida es un diseño de célula desarrollado y patentado en la Universidad Técnica de Berlín para los denominados electrodos de difusión de gas. Estos permiten conducir el CO₂ en estado gaseoso directamente al catalizador y alcanzar así altas densidades de corriente. En el proyecto se utilizan sustratos poliméricos hidrófugos y aislantes eléctricos. Estos contribuyen a que los electrodos de difusión de gas se inunden con menos facilidad con electrolito. Este problema, conocido como «flooding», provoca que se obstruyan los poros de los electrodos de difusión de gas, lo que dificulta enormemente el proceso. Gracias a los sustratos poliméricos hidrófugos, las celdas pueden funcionar de forma estable incluso con altas densidades de corriente. Para establecer el contacto eléctrico necesario se utiliza un colector de corriente especialmente desarrollado.

No solo la producción de etileno

Las celdas se someten a pruebas a temperaturas de entre 60 y 80 grados Celsius y a una presión de hasta 30 bar, condiciones relevantes para las aplicaciones industriales de los electrolizadores de CO₂. El proyecto tiene como objetivo alcanzar densidades de corriente de al menos 500 miliamperios por centímetro cuadrado, una eficiencia energética de al menos el 45 % y una vida útil de al menos 1.000 horas. El funcionamiento de las celdas no se limita únicamente a la electrólisis para producir etileno: Innocell también está investigando la producción de monóxido de carbono (CO). El CO es un importante producto intermedio de la industria química y un componente del gas de síntesis, a partir del cual se producen, entre otros, metanol y otros combustibles sintéticos. «En el proyecto se decidirá qué aplicación se desarrollará a mayor escala en función de los valores de rendimiento obtenidos», explica Peter Strasser.

El proyecto se desarrollará entre 2026 y 2029 en el marco del programa «VIP+» del Ministerio Federal de Educación e Investigación. Su objetivo es analizar y seguir desarrollando los resultados de investigación con potencial para aplicaciones económicas o sociales, con vistas a su viabilidad. La dotación económica para la Universidad Técnica de Berlín asciende a 1,6 millones de euros.