En el presente artículo se expone la necesidad del desarrollo de tecnología nacional eficiente y la estrategia seguida por el CNH2 en la producción de sistemas SOEC para la generación de hidrogeno renovable.
En el presente artículo se expone la necesidad del desarrollo de tecnología nacional eficiente y la estrategia seguida por el CNH2 en la producción de sistemas SOEC para la generación de hidrogeno renovable.
Dada la naturaleza intermitente y estacional de las fuentes de energía renovables, se requiere de sistemas eficientes de almacenamiento de energía para que la transición a un escenario neutro en emisiones pueda ser una realidad. En este contexto, el hidrógeno renovable se posiciona como uno de los principales vectores energéticos en el largo plazo, debido a que su producción y consumo es climáticamente neutro y no genera emisiones contaminantes. Como resultado de esto, España ha definido su Hoja de Ruta para el hidrógeno renovable donde ofrece una Visión a 2030 y 2050, la cual está alineada con el Plan Nacional Integrado de Energía y Clima 2021-2030 (PNIEC), el proyecto de Ley de Cambio Climático y Transición Energética, y la Estrategia a Largo Plazo para una Economía Española Moderna, Competitiva y Climáticamente Neutra en 2050. En este contexto, la descarbonización de sectores muy difícilmente descarbonizables en un escenario de electrificación, como pueden ser procesos industriales intensivos en energía (eléctrica y térmica) y el transporte pesado, demandan soluciones que pasan por el uso del hidrógeno renovable.
El despliegue de la economía del hidrógeno representa una oportunidad única para España que puede aspirar, a medio/largo plazo, a convertirse en un productor-exportador internacional con especial relevancia en el entorno europeo. La disponibilidad de abundantes fuentes de energías renovables, junto con la estabilidad y posición geopolítica en Europa, son factores que lo avalan. No obstante, todavía queda un largo recorrido hasta que podamos ver el desarrollo de un nuevo modelo energético asentado de largo alcance. Antes cabe esperar un sustancial desarrollo de iniciativas de generación y producción de hidrógeno cerca de la demanda. De ahí la relevancia crítica que tiene impulsar el desarrollo de electrolizadores avanzados, destinados a atender el sector industrial que, necesariamente, ha de acometer la transformación de sus procesos de alta temperatura y de su logística de transporte para avanzar hacia la descarbonización.
Dentro de las tecnologías para la generación de hidrógeno, el proceso de electrólisis está siendo objeto de un intenso desarrollo para cumplir los objetivos de emisiones. Este proceso se basa en la generación de hidrógeno mediante el uso de electricidad para la disociación de la molécula de agua. Actualmente existen diferentes tipos de electrólisis, destacando entre todas ellas la tecnología de electrólisis de alta temperatura (dadas sus temperaturas de operación 700-900ºC), basada en óxidos sólidos, y que también se conoce como tecnología SOEC (Solid Oxide Electrolysis Cells) o SOEL (Solid Oxide Electrolysis). La principal ventaja de la tecnología SOEC radica en su elevada eficiencia en comparación con el resto de las tecnologías de electrólisis, con previsiones de alcanzar valores superiores al 90% en 2030. Esto contrasta las previsiones para otras tecnologías como la electrólisis alcalina (AEL) o la de membrana de intercambio protónico (PEM), que se estima que lograrán eficiencias próximas al 70% [1]. Por tanto, la tecnología SOEC se presenta como la alternativa idónea para el aprovechamiento de energía renovable para la generación de hidrógeno verde. Además, cabe destacar que la tecnología SOEC presenta otras ventajas adicionales como:
Capacidad de operar en modo reversible electrólisis-pila de combustible (SOFC, para producir energía a partir de hidrógeno), dotando de mayor flexibilidad al sistema y pudiendo volver a inyectar la electricidad en la red.
Capacidad de operar en modo co-electrólisis, lo que permitiría utilizar CO2 capturado y vapor de agua para producir gas de síntesis (mezcla H2/CO). A partir de este producto, se pueden obtener combustibles sintéticos (e-fuels) y productos químicos de alto valor añadido.
Hoy día, apenas existen fabricantes de electrolizadores de alta temperatura a nivel mundial (Sylfen, Haldor Topsoe, Sunfire, SolidEra), pero España no cuenta con fabricantes de este tipo de sistemas, por lo que además una oportunidad de mercado, resulta prioritario plantear este desarrollo al objeto de disponer de tecnología y capacidad de fabricación propia. Esto motivó que desde la Unidad de Desarrollo Científico (UDC) del Centro Nacional del Hidrógeno (CNH2), se haya llevado a cabo un proyecto tecnológico cuyo principal objetivo reside en la Fabricación de electrolizadores de alta temperatura tipo SOEC (ICTI-FEAT; ICTP-20210003), cofinanciado por el Centro para el Desarrollo Tecnológico y la Innovación (CDTI).
En este proyecto se ha desarrollado una tecnología SOEC, innovadora y propia del CNH2, para la generación de hidrógeno verde a partir fuentes de energía renovable. La investigación llevada a cabo se ha centrado en el desarrollo, optimización y fabricación a escala semi-industrial de los distintos componentes de un electrolizador tipo SOEC con el objetivo de mejorar sus prestaciones y conseguir la fabricación de prototipos de stacks de 2 kW, que sirvan como punto de partida para lograr alcanzar sistemas de generación de hidrógeno de alta eficiencia en el rango de las decenas de kW para uso industrial.
Para llevar a cabo la fabricación de prototipos fue necesario adecuar, habilitar y dotar de nuevas instalaciones al CNH2. Para ello, se diseñó y construyó una planta piloto compuesta de un espacio principal destinado a la fabricación de electrolizadores; y una zona adyacente para albergar los sistemas auxiliares, tales como suministro de gases, compresores, enfriadoras, almacén, etc.
En paralelo a la construcción de la nueva planta piloto, se llevó a cabo la adquisición del equipamiento necesario para el desarrollo de cada una de las etapas de la fabricación de los electrolizadores SOEC, que abarca desde la síntesis, el acondicionamiento, el procesado y la caracterización de materiales, hasta la fabricación y testeo de los sistemas. Cabe destacar que la estrategia seguida por el CNH2 responde no solamente a aumentar las capacidades de producción de cada uno de los componentes de los electrolizadores de alta temperatura, sino que también ha perseguido ampliar las capacidades de fabricación de sistemas de diferentes geometrías mediante las técnicas más avanzadas.
Además de desarrollar una intensa actividad en el ámbito del desarrollo de materiales y optimización de procesos la fabricación de componentes, se han desarrollado actividades relacionadas con la simulación fluidodinámica. Estas simulaciones tuvieron como objetivo fundamental la optimización de las prestaciones del prototipo desarrollado, atendiendo a parámetros tales como: espesor y profundidad de los canales, sección de los colectores, puntos de apriete, distribución de gases, gestión térmica, sellado, etc.
En definitiva, con el proyecto de Fabricación de electrolizadores de alta temperatura tipo SOEC (ICTI-FEAT; ICTP-20210003), cofinanciado por el CDTI, el CNH2 ha dado un paso adelante para la fabricación de sistemas de electrólisis más eficientes, de mayor potencia y, lo que es más relevante, con tecnología nacional. Un avance que puede marcar un hito para el posicionamiento de España como un agente clave, a nivel europeo y mundial, de una nueva industria descarbonizada, en la que el hidrógeno verde tendrá un papel protagonista.