Introducción a los electrolizadores
Los electrolizadores utilizan 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 energía renovable.
El hidrógeno producido a partir de un electrolizador es perfecto para usar con pilas de combustible de hidrógeno. Las reacciones que tienen lugar en un electrolizador son muy similares a las reacciones en las pilas de combustible, excepto que las reacciones que ocurren en el ánodo y el cátodo son inversas. 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 particularmente ventajosos son el uso en el campo a largo plazo, los vehículos propulsados por pilas de combustible y la electrónica portátil. Se puede generar una cantidad suficiente de hidrógeno antes de su uso y, por lo tanto, podría ser una adición beneficiosa a un sistema que utiliza energía solar y eólica.
Algunas de las ventajas de utilizar electrolizadores son:
1. El hidrógeno producido es muy puro.
2. Puede producirse directamente en el lugar y en el momento en que se vaya a utilizar y no necesariamente debe almacenarse.
3. Es un método mucho más económico que el gas suministrado en cilindros de alta presión.
Hay recursos naturales solares y eólicos más que suficientes a nivel mundial para producir todo el hidrógeno necesario para aplicaciones estacionarias, de transporte y portátiles. La electrólisis tiene el potencial de cumplir con los requisitos de costos especificados por muchos gobiernos de todo el mundo.
Tipos de diseños de electrolizadores
Hay muchas formas de construir y configurar un electrolizador y se pueden utilizar diferentes electrolitos, como en las pilas de combustible. Sin embargo, una diferencia con las pilas de combustible es que no se pueden utilizar sistemas de alta temperatura porque el agua tendría que suministrarse en forma de vapor. Los electrolizadores se pueden dividir en dos diseños principales: unipolares y bipolares. El diseño unipolar normalmente utiliza electrolito líquido (líquidos alcalinos) y el diseño bipolar utiliza un electrolito de polímero sólido (membranas de intercambio de protones). El hidróxido de potasio era un electrolito de uso común en el pasado, pero recientemente las membranas PEM son más comunes. La construcción de un electrolizador es muy similar a la de una batería o pila de combustible; Consta de un ánodo, un cátodo y un electrolito.
Electrolizador alcalino
Los electrolizadores alcalinos suelen utilizar una solución acuosa de hidróxido de potasio (KOH) como electrolito. Otros electrolitos de uso frecuente incluyen ácido sulfúrico (H2SO4), hidróxido de potasio (KOH), cloruro de sodio (NaCl) e hidróxido de sodio (NaOH). La concentración típica de una solución electrolizante es del 20 al 30 % en peso para proporcionar un equilibrio entre la conductividad iónica y la resistencia a la corrosión.
Los electrolizadores alcalinos funcionan bien a temperaturas de funcionamiento entre 25 y 100 °C y presiones de 1 a 30 bar respectivamente. Los electrolizadores alcalinos comerciales tienen densidades de corriente en el rango de 100 – 400 mA/cm2. Las reacciones químicas del electrolizador alcalino son:
La construcción general de un electrolizador alcalino es sencilla. Tiene un diseño unipolar que consta de dos electrodos metálicos suspendidos en una solución electrolítica acuosa. Cuando se suministra electricidad a los electrodos, se genera gas hidrógeno y oxígeno en cada electrodo. El electrolizador debe diseñarse de manera que cada gas se recoja y se elimine del electrolizador de manera eficiente. El ingeniero debe asegurarse de que los gases no se mezclen porque, en presencia de una chispa, una mezcla de hidrógeno y oxígeno es inflamable.
PEM – Electrolizador basado
El electrolizador basado en membrana de electrolito polimérico (PEM) es muy popular y muchos electrolizadores modernos están construidos con tecnología PEM. El electrolizador PEM utiliza el mismo tipo de electrolito que una pila de combustible PEM. El electrolito es una membrana delgada y sólida conductora de iones que se utiliza en lugar de la solución acuosa. Estos electrolizadores utilizan un diseño bipolar y pueden funcionar a altas presiones diferenciales a través de la membrana. Las reacciones son las siguientes:
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 se puede utilizar fácilmente para enfriar la celda, 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 alta 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 tanto, los diseñadores de electrolitos utilizan diversas técnicas para evitar que esto ocurra. Un método común es utilizar electrolitos más espesos que los utilizados en las pilas de combustible.
Eficiencia del electrolizador
Hay muchos factores que influyen en el rendimiento de los electrolizadores. Algunos de estos incluyen el diseño general, los materiales utilizados y la temperatura y presión de funcionamiento. Operar a temperaturas más altas aumentará la eficiencia, pero también aumentará la velocidad de corrosión de los materiales del electrolizador. La eficiencia del electrolizador se calcula de la misma forma que la de una pila de combustible. La eficiencia de la pila de combustible viene dada por la fórmula:
Y la inversa de esta fórmula es la eficiencia del electrolizador:
Las pérdidas en los electrolizadores son las mismas que las de las pilas de combustible, y los valores típicos para Vcell y Vel_cell son 1,6 – 2,0 V, dependiendo de la densidad de corriente. La eficiencia de la chimenea también debe incluir las pérdidas de energía debidas a la electricidad necesaria para las bombas, válvulas, sensores y controlador, y la cantidad de energía puesta en la chimenea. Las eficiencias operativas típicas de las unidades electrolizadoras comerciales son aproximadamente del 60 al 70 por ciento.
Oportunidades para la electrólisis
La integración de electrolizadores con un sistema de energía renovable crea oportunidades únicas para proporcionar energía en el futuro. Los sistemas de energía renovable pueden conectarse a la red pública a través de electrónica de potencia. La electrónica de potencia convierte la corriente alterna (CA) de la red en corriente continua (CC) requerida por la pila de celdas de electrólisis. Como fuente de electricidad se pueden utilizar tanto sistemas de energía fotovoltaica como eólica. En muchos de los sistemas eólicos/electrolizadores que se utilizan hoy en día para producir hidrógeno, el electrolizador utiliza directamente la CA de la turbina eólica.
Hay muchos proyectos de investigación y desarrollo que se están llevando a cabo a nivel mundial que analizan y comparan la producción de hidrógeno a partir de la energía solar y eólica y la red eléctrica. En estos estudios, el hidrógeno se produce mediante electrólisis y luego se comprime y almacena para alimentar un motor durante períodos con mayores necesidades de energía. Estos proyectos explorarán la coproducción de electricidad e hidrógeno para abordar la naturaleza intermitente de la energía solar y eólica, para crear electricidad cuando la demanda de energía sea alta. Estos estudios también incluyen el potencial uso del hidrógeno para uso vehicular. Estos proyectos de investigación estudian múltiples tecnologías de electrolizadores; sus capacidades para conectarse y desconectarse rápidamente; y el desarrollo de convertidores AC-DC y DC-DC para utilizar la turbina eólica solar en el electrolizador para lograr ganancias de eficiencia.
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 sea constante o utilizada durante los períodos pico. Al permitir la coproducción de hidrógeno y electricidad, la empresa podría optimizar su sistema de producción y almacenamiento. Tanto los sistemas solares como los eólicos pueden beneficiarse de la producción de electricidad junto con hidrógeno. Algunos estudios han demostrado que los sistemas optimizados para la generación de hidrógeno y electricidad tienen precios más bajos del hidrógeno, incluso cuando la electricidad se vende a un precio muy bajo.
Conclusiones
La electrólisis utiliza electricidad para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno. Este proceso puede producir hidrógeno ultrapuro (>99,999%) de forma no contaminante cuando la fuente eléctrica es energía renovable. El hidrógeno también se puede producir directamente en cualquier lugar, en el momento que se necesite; por lo tanto, no necesariamente es necesario almacenarlo. Este es el método ideal para producir hidrógeno para pilas de combustible de hidrógeno. Si este sistema se diseña adecuadamente, puede ser un método mucho más económico que el gas suministrado en cilindros de alta presión. Los electrolizadores serían muy útiles si se integraran en sistemas de energía estacionarios, portátiles o de transporte para generar hidrógeno. También sería una adición útil a un sistema que utiliza energía solar y eólica porque el hidrógeno se puede utilizar para alimentar pilas de combustible cuando la energía solar y eólica es intermitente. En el futuro, la electrólisis podrá utilizarse junto con el hidrógeno necesario procedente de los recursos eólicos y solares.
