Electrolizadores de hidrógeno verde

Como materia prima para la industria química, como sistema de almacenamiento energético o incluso como combustible para el transporte, entre otras aplicaciones, el hidrógeno (H2) está llamado a ser el vector energético del futuro. Y en concreto, el verde, aquel que se produce con energía renovable, es y será el protagonista en los próximos años. Seguro que has oído hablar de él, pero, ¿sabes cómo se produce? En este artículo vamos a detallar qué son y cómo funcionan los electrolizadores, los equipos encargados de la producción del hidrógeno a partir de energía renovable.

¿Qué es el hidrógeno verde? 

El hidrógeno es el elemento químico más abundante del universo, aunque no existe en estado natural aislado, es decir, solo lo podemos encontrar junto a otros elementos formando compuestos, como el agua (H₂0) o carburantes.

Si lo extraemos del agua, el hidrógeno resultante es bajo en carbono si se obtiene a partir de fuentes renovables mediante un proceso que conocemos como electrólisis. En él podremos separar las moléculas del Oxígeno (O) y del Hidrógeno (H).

Dado que este proceso conlleva un gran consumo de electricidad, para que la obtención de hidrógeno sea respetuosa con el medio ambiente y de bajas emisiones, se utiliza energía solar o eólica, especialmente, para poder producir los kWh que separarán las moléculas de los dos elementos del agua y así obtener hidrógeno en un electrolizador.

Como vimos en uno de nuestros anteriores artículos, el hidrógeno cuenta con numerosas aplicaciones, siendo las principales las que mencionamos a continuación;

1. Para la industria química, en la producción de amoniaco y fertilizantes, e incluso para el refinado del petróleo, por ejemplo.
2. Como sistema de almacenamiento de energía, siendo esta una de las que más importancia está cobrando para otorgar a las renovables la capacidad de gestionar su producción
3. Como combustible alternativo, tanto para el transporte de carretera como para el marítimo y el aéreo.
4. Como sustituto parcial del metano, para producir electricidad y calor en domicilios.

Comprendida su importancia y versatilidad, hablamos de un elemento que permite dar flexibilidad a la red de electricidad, descarbonizar ciertas industrias y reducir la dependencia de recursos externos.

Pero antes de poder aprovechar sus particularidades, debemos producir el hidrógeno mediante el proceso mencionado anteriormente; la electrólisis.

La electrólisis es un procedimiento químico que se origina con electricidad, en este caso renovable, para realizar las reacciones químicas pertinentes y poder “romper” las moléculas del agua. Mediante la aplicación de un voltaje y una corriente continua, en el agua se suceden reacciones de disociación de moléculas, separando el oxígeno (que se libera a la atmósfera), y capturando el hidrógeno.

La electrolisis y el electrolizador 

La reacción química fruto del proceso de electrólisis es la siguiente:

2H₂O→ O₂+2H₂

Para llevar a cabo esta separación, los electrolizadores son dispositivos que aplican la corriente eléctrica en un par de electrodos sumergidos en una solución. Estos electrodos están separados por una membrana, en la que se aplica el voltaje y la intensidad concreta para crear una corriente eléctrica que disocia las moléculas presentes en el agua.

Mientras que el oxígeno se puede liberar o almacenar como gas, el hidrógeno se almacena de dos formas; como gas licuado para su uso en industrias o pilas de combustibles, o como gas comprimido para su inyección a la red.

Componentes de un electrolizador 

Un electrolizador cuenta con diversas partes, que podemos diferenciar según su función;

1. En primer lugar, encontramos el conducto de entrada del agua al stack.
2. El stack es el equipo principal, un compartimento donde se produce la reacción electroquímica y donde se separarán las moléculas del agua en oxígeno e hidrógeno. Es el equipo principal del electrolizador, y necesita un sistema de gestión del agua además de capacidad para almacenar los gases, un control y una seguridad.
3. Las celdas electrolíticas son las separaciones positivas y negativas, que van a crear la corriente, entre un ánodo y un cátodo. Es donde se conecta la fuente de energía, en este caso la electricidad proveniente de un sistema fotovoltaico o eólico, cuando hablamos del hidrógeno renovable.
4. Entre las celdas encontramos el electrolito, una solución que cuenta con electrones libres para permitir la corriente.Aunque el procedimiento es similar independientemente de la tecnología, según ésta podemos encontrar un tipo de electrolizador u otro, que tendrá unas reacciones concretas. No obstante, en cualquier de ellos obtendremos oxígeno e hidrógeno.

Tipos de electrolizadores 

Podemos diferenciar tres grandes tipos de electrolizadores;

1. Alcalino

Los electrolizadores alcalinos son los más comunes dado que su tecnología es la más desarrollada. En ellos, una celda está compuesta por dos electrodos inmersos en un electrolito como el hidróxido de potasio (KOH) o de sodio (NaOH).

Al aplicar corriente en las celdas, los iones circulan a través del electrolito desde el polo positivo (cátodo) hasta el negativo (ánodo). De este modo, el hidrógeno aparece liberado como gas en el polo positivo.

2. De estado sólido

Es una de las tecnologías más prometedores, pero aún se encuentra en una fase de investigación y sus costes son muy altos. Se trata de sistemas sólidos que operan a altas temperaturas, del orden de los 600ºC-1000ºC, lo que conlleva que haya problemas de durabilidad de los componentes y la resistencia de estos a esas elevadas temperaturas.

A pesar de ello, su eficiencia es cercada al 100%, puede trabajar a altas presiones y el sistema puede emplearse como una pila de combustible.

3. PEM, de membrana polimérica protónica

Los electrolizadores de Membrana Polimérica (PEM) también cuentan con un ánodo y un cátodo, además de un depósito electrocatalizador sobre ellos que colabora en la reacción química para separar el oxígeno del hidrógeno. La membrana funciona como un electrolito, separando los gases y permitiendo mucha interacción entre protones, las cargas positivas de los núcleos de los átomos.

Futuro de los electrolizadores 

La mayor barrera a su impulso son los altos costes de fabricación. A pesar de ello, la investigación y los primeros proyectos piloto están logrando reducir esos costes progresivamente, tal y como ha sucedido en otras industrias como la fotovoltaica, años atrás.

Los planes europeos son un gran aliciente para confiar en su competitividad en pocos años. Europa quiere instalar hasta el año 2030 cerca de 40 GW de electrolizadores, y España jugará un papel fundamental dado que tiene previsto desarrollar el 10% de esa cantidad.

El Ministerio para la Transición Ecológica concedió ayudas por valor de 100 millones de euros a proyectos innovadores de grandes electrolizadores, programa incluido en el PERTE ERHA.

Siendo considerado el vector energético del futuro, el hidrógeno verde tendrá cada vez más presencia en el sector energético y para ello es primordial el conocimiento y la investigación en el funcionamiento y operación de los electrolizadores.