Los electrolizadores usan la electricidad para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno. La electrólisis del agua se produce mediante una reacción electroquímica que no requiere componentes externos ni piezas móviles. Es muy fiable y puede producir hidrógeno ultrapuro (> 99,999%) de forma no contaminante cuando la fuente eléctrica es una energía renovable.
Pilas de combustible de hidrógeno.
El hidrógeno producido por un electrolizador es perfecto para su uso en pilas de combustible de hidrógeno.
Las reacciones que tienen lugar en un electrolizador son muy similares a las de las pilas de combustible, salvo que las reacciones que se producen en el ánodo y el cátodo se invierten.
En una pila de combustible, el ánodo es donde se consume el gas hidrógeno, y en un electrolizador, el gas hidrógeno se produce en el cátodo.
La desventaja de los electrolizadores es la necesidad de energía eléctrica para completar la reacción. Lo ideal es que la energía eléctrica necesaria para la reacción de electrólisis proceda de fuentes de energía renovables, como la eólica, la solar o la hidroeléctrica.
Los electrolizadores son útiles e ideales cuando se incorporan a ciertos sistemas de energía estacionarios, portátiles y de transporte.
Algunos ejemplos de aplicaciones en las que los electrolizadores serían especialmente ventajosos son el uso a largo plazo en el campo, los vehículos alimentados por pilas de combustible y la electrónica portátil. Se puede generar una cantidad suficiente de hidrógeno antes de utilizarlo y, por lo tanto, podría ser un complemento beneficioso para un sistema que utilice energía solar y eólica.
Ventajas electrolizadores.
Algunas de las ventajas de utilizar electrolizadores son:
- El hidrógeno producido es muy puro.
- Puede producirse directamente en el lugar y en el momento en que se va a utilizar y no tiene que almacenarse necesariamente.
- Es un método mucho más barato que el gas suministrado en cilindros de alta presión.
Hay recursos naturales solares y eólicos más que suficientes en todo el mundo para producir todo el hidrógeno que se necesita para aplicaciones estacionarias, de transporte y portátiles. La electrólisis tiene el potencial de cumplir los requisitos de coste especificados por muchos gobiernos de todo el mundo.
Tipos de electrolizadores.
Hay muchas formas de construir y configurar un electrolizador, y se pueden utilizar diferentes electrolitos al igual que en las pilas de combustible.
Hay muchos tipos de electrolizadores, podemos encontrar:
- Electrolizadores alcalinos.
- Electrolizadores de membrana polimérica (PEM).
- Electrolizadores de óxido sólido (SOEL).
- Electrolizadores de membrana de intercambio aniónico (AEM).
Electrolizador alcalino.
Los electrolizadores alcalinos son la tecnología actual más madura. Su principal característica es que tienen un electrolito líquido y mediante un diafragma, normalmente hidróxido de potasio (KOH) o hidróxido de sodio (NaOH), producimos la separación de gases entre el lado cátodo y el lado ánodo.
Estos electrolizadores tienen un consumo energético en torno a 5 kilovatios por metro cúbico nominal de hidrógeno producido. Trabajan a unas densidades de corriente que se consideran relativamente bajas entre 200 y 600 micro amperios por centímetro cuadrado.
Los electrolizadores alcalinos funcionan bien a temperaturas de funcionamiento entre 25 – 100 °C y a presiones de 1 – 30 bares respectivamente.
Actualmente es la solución comercial más establecida y presenta los costes de fabricación más bajos. Normalmente están en torno a 1.000 euros por por kilovatio consumido.
La principal ventaja es una tecnología madura. La principal desventaja es que el electrolito que usan es un electrolito líquido, lo cual hace que los diseños no sean compactos y además no tienen una respuesta rápida a variaciones de potencia, por lo cual no se consideran óptimos para ser acoplados con fuentes de energías renovables.
La construcción general de un electrolizador alcalino es sencilla. Tiene un diseño unipolar que consiste en dos electrodos metálicos suspendidos en una solución electrolítica acuosa. Cuando se suministra electricidad a los electrodos, se genera hidrógeno y oxígeno gaseoso en cada uno de ellos. El electrolizador debe diseñarse de manera que cada gas sea recogido y eliminado del electrolizador de manera eficiente.
Electrolizador de membrana polimérica.
El electrolizador basado en una membrana electrolítica de polímero (PEM) es muy popular, y muchos electrolizadores modernos están construidos con tecnología PEM.
El electrolizador PEM usa el mismo tipo de electrolito que una pila de combustible PEM.
El electrolito es una fina membrana sólida conductora de iones, que se utiliza en lugar de la solución acuosa.
Estos electrolizadores utilizan un diseño bipolar y pueden hacerse funcionar a altas presiones diferenciales a través de la membrana.
Los electrolizadores PEM son populares porque muchos de los problemas típicos de las pilas de combustible PEM no son aplicables. El agua suministrada al cátodo también puede utilizarse fácilmente para refrigerar la célula, y la gestión del agua es mucho más sencilla, ya que el electrodo positivo debe inundarse con agua. El hidrógeno producido por este tipo de electrolizador es de gran pureza. El único problema es la presencia de vapor de agua en el sistema. El agua se difunde a través del electrolito como en las pilas de combustible, por lo que los diseñadores de electrolitos utilizan diversas técnicas para evitar este fenómeno. Un método habitual es utilizar electrolitos más espesos que los utilizados en las pilas de combustible.
Son los electrolizadores que actualmente presentan una respuesta más rápida a variaciones de potencia, con lo cual son óptimos para ser integrados con fuentes de energías renovables.
El principal inconveniente, aparte de los costes de fabricación, es que utilizan en metales preciosos como catalizadores en ambos reacciones.
Electrolizador de estado sólido.
Se encuentran en un estado menos de desarrollo, más a nivel de laboratorio.
La principal característica de estos electrolizadores son que trabajan a altas temperaturas. Pueden llegar a alcanzar eficiencias de hasta el 95%. Como trabajan a temperaturas elevadas presentan consumos energéticos más bajos, en torno a tres kilovatios hora. Pero necesitan un aporte extra de energía para llegar a las temperaturas necesarias para producir las reacciones.
Las densidades de corriente a las que trabajan también son bastante elevadas.
Una desventaja es que no pueden trabajar a presiones elevadas, las máximas presiones de trabajo son en torno 5000 bares. Al trabajar a elevadas temperaturas, hay muy pocos materiales que puedan trabajar en estas condiciones, con lo cual tanto el electrolito como los electrodos solo están formados por cerámicas complejas.
La gran ventaja es que se presentan unas eficiencias potenciales más elevadas que el resto de los de los electrolizadores.
Estos sistemas se encuentran a nivel de desarrollo aunque sí que existe algún desarrollo comercial o algún proveedor comercial que dice que los oferta pero siempre en bajas a potencias.
Electrolizador de membrana de intercambio aniónico.
Los que menos desarrollados se encuentran son los electrolizadores de membrana amniótica.
Aunque las características que presenta son bastante prometedores, las eficiencias actuales son bajas, en torno a un 50%.
Sólo pueden trabajar a presiones máximas de 30 bares.
Las principales ventajas que presentan es que no necesitan catalizadores basados en metales preciosos.
Pueden utilizar metales convencionales, lo cual los hace bastante prometedores a largo plazo.
Eficiencia del electrolizador.
Hay muchos factores que influyen en el rendimiento de los electrolizadores. Algunos de ellos son el diseño general, los materiales usados y la temperatura y presión de funcionamiento.
El funcionamiento a temperaturas más altas aumentará la eficiencia, pero también aumentará la tasa de corrosión de los materiales del electrolizador.
La eficiencia del electrolizador se calcula de la misma manera que la de una pila de combustible. Las pérdidas en los electrolizadores son las mismas que en las pilas de combustible.
La eficiencia de la pila también debe incluir las pérdidas de energía debidas a la electricidad necesaria para las bombas, las válvulas, los sensores y el controlador, y la cantidad de energía que se introduce en la pila. Las eficiencias operativas típicas de las unidades comerciales de electrolizadores son de entre el 60 y el 70%.
Oportunidades para la electrólisis.
La integración de los electrolizadores con un sistema de energía renovable crea oportunidades únicas para el suministro de energía en el futuro.
Los sistemas de energía renovable pueden conectarse a la red eléctrica a través de la electrónica de potencia. Esta convierte la corriente alterna (CA) de la red en la corriente continua (CC) que necesita la pila de células de electrólisis.
Tanto los sistemas fotovoltaicos como los eólicos pueden usarse como fuente de electricidad. En muchos de los sistemas eólicos/electrolizadores utilizados hoy en día para producir hidrógeno, el electrolizador utiliza directamente la CA de la turbina eólica.
La electrólisis puede ayudar a reducir la producción intermitente de electricidad a partir de recursos renovables. Los sistemas de hidrógeno pueden producir hidrógeno y almacenarlo para su uso posterior, lo que puede mejorar el factor de capacidad de los sistemas de energía renovable. Esto ayudaría a que la energía renovable fuera constante o se utilizara en los periodos punta. Al permitir la coproducción de hidrógeno y electricidad, la compañía eléctrica podría optimizar su sistema de producción y almacenamiento.
Tanto los sistemas solares como los eólicos pueden beneficiarse de la producción de electricidad junto con el hidrógeno. Algunos estudios han demostrado que los sistemas optimizados para la generación de hidrógeno y electricidad tienen precios de hidrógeno más bajos, incluso cuando la electricidad se vende a un precio muy bajo.
Cómo se comercializan los electrolizadores para producción de hidrógeno.
Los electrolizadores se pueden comercializar de cuatro formas principales:
- Energía para la movilidad: El hidrógeno puede usarse como combustible en las estaciones de servicio de los vehículos eléctricos de pila de combustible.
- Energía para el combustible: Se puede usar en las refinerías para eliminar el azufre de los combustibles fósiles.
- Energía para la industria: Puede ser usado directamente como gas industrial en la industria del acero, plantas de vidrio plano, industria de semiconductores, etc. También puede inyectarse directamente en las redes de gas natural para la calefacción con menos carbono y otras aplicaciones del gas natural.
- Power to Gas: Se puede usar en la producción de productos químicos ecológicos como el metanol, los fertilizantes (amoníaco) y cualquier otro combustible líquido, ¡incluso el combustible para aviones!
Pilas de combustible de hidrógeno.
El hidrógeno producido por un electrolizador es perfecto para su uso en pilas de combustible de hidrógeno. Al funcionar de forma muy parecida a una batería, las pilas de combustible no se agotan, ni necesitan cargarse y producen electricidad y calor mientras se les suministre combustible.
Las pilas de combustible usan el hidrógeno para generar electricidad con cero emisiones en el punto de uso. Eso significa que no hay combustibles fósiles ni emisiones nocivas procedentes del tubo de escape.
Y lo que es mejor, cuando el sistema electrolizador se alimenta de una fuente de energía renovable, el hidrógeno producido se considera renovable y libre de CO2.
Hidrógeno en la transición ecológica.
El hidrógeno puede actuar como medio de almacenamiento de energía para hacer frente a estos retos de la red, permitiendo que la energía renovable se utilice más fácilmente fuera de la red eléctrica.
El hidrógeno es una forma estable de almacenar y transportar eficazmente la electricidad renovable durante largos periodos de tiempo. De este modo, la electricidad renovable generada por la energía eólica y solar que no se usa de forma inmediata puede emplearse en otro momento o en otro lugar. El potencial del hidrógeno para almacenar y transportar energía lo convierte en un elemento clave para la transición mundial hacia las energías renovables.
Helio Ochoa dice
Gracias por las comparaciones entre los generadores de Hidrogeno, hace tiempo que buscaba ese tipo de información. Me parece que los electrolizadores son la solución ideal a nivel global para generar el hidrogeno. Sobre todo, si la fuente de alimentación eléctrica es de recursos renovables como los paneles solares. Como ingeniero ambiental recomiendo ese tipo de solución.
Jesus Giraldo dice
He tratado de encontrar una fuente alterna para almacenar la energía y usar el excedente que nuestros países en la zona tórrida que nos permite con la producción de energía por medio de sistemas solares y no de batería. Es una genial idea y lo práctica para obviar las exigencias de la empresas generadoras de electricidad similar a fastidiosa imperiosidad de los combustibles fósiles.