La alta eficiencia, posibilidad de coelectrólisis y reversibilidad hacen que la SOEC esté considerada como una tecnología con una alta potencialidad en el futuro mercado del hidrógeno. Con sistemas robustos probados a escala de laboratorio, el reto a día de hoy está en la validación de su fabricación a escala, y su integración y validación en entornos reales
La alta eficiencia, posibilidad de coelectrólisis y reversibilidad hacen que la SOEC esté considerada como una tecnología con una alta potencialidad en el futuro mercado del hidrógeno. Con sistemas robustos probados a escala de laboratorio, el reto a día de hoy está en la validación de su fabricación a escala, y su integración y validación en entornos reales.
Recientemente España ha alcanzado un importante hito en el proceso de la transición energética. Durante unas pocas horas del pasado 16 de mayo la generación eléctrica peninsular de origen renovable fue mayor que la demanda. Es decir, aunque fuera de manera puntual, se alcanzó el objetivo de un sistema energético 100% renovable. La eventualidad de este hecho, sin embargo, da una pista del largo camino que queda todavía por recorrer, para que lo ocasional se convierta en rutina y la rutina en norma. Según datos de Red Eléctrica de España, las energías renovables podrían alcanzar el 50% del mix de generación eléctrica en 2023 , todavía lejos del ansiado sistema 100% renovable.
Alcanzar un sistema totalmente descarbonizado pasa por la consecución de tres principales retos. En primer lugar, los datos del mix energético nacional evidencian la necesidad de incrementar sustancialmente la capacidad de producción de energía renovable. Lograr la descarbonización conlleva instalar más renovables en el mix energético y la electrificación del usuario final. En segundo lugar, es fundamental desarrollar herramientas que nos permitan flexibilizar el sistema energético. No debemos olvidar que las principales fuentes de generación de energía renovable (eólica, fotovoltaica…) son no predecibles. Esto implica que en muchas ocasiones no se pueda asegurar el equilibrio entre generación y demanda. Para solventar este desequilibrio aparecen con fuerza las tecnologías de almacenamiento, que permitirán almacenar la energía excedente en periodos pico para usarla en periodos valle. Por último, no hay que olvidar que existen diversos sectores (transporte pesado, aviación, determinadas industrias clave…) con un consumo intensivo de combustibles fósiles, en los cuales la electrificación es directamente inviable. Para estos casos resulta necesario desarrollar combustibles alternativos libres de emisiones.
El hidrógeno verde
El hidrógeno verde, aquél producido a partir de fuentes renovables, se postula como un vector energético clave para solventar el segundo y tercer reto. El hidrógeno se puede obtener por vía electroquímica, mediante la ruptura controlada de la molécula de agua, en un proceso conocido como electrólisis. Con agua como único precursor y electricidad de origen renovable es posible aprovechar los excedentes de energía eléctrica y convertirla en energía química, es decir, en moléculas de H2 gas. Los usos posteriores del hidrógeno son múltiples. Por un lado, al comprimirlo sirve como método de almacenamiento energético, para su posterior uso y reconversión a electricidad utilizando pilas de combustible. Por otro lado, representa un reactivo clave en multitud de procesos industriales, como por ejemplo en la fabricación de aceros o en la industria de los fertilizantes. Por último, el hidrógeno es un precursor fundamental que permite descarbonizar la síntesis de combustibles verdes (conocidos como procesos de Power-to-X) para, por ejemplo, aplicaciones en movilidad y transporte pesado.
A día de hoy, se diferencian tres tipos principales de electrolizadores (el dispositivo en el que se produce la electrólisis), en función de los materiales de los que están compuestos (Figura 1). Los electrolizadores alcalinos están basados en una disolución alcalina, los electrolizadores PEM (de Polymeric Exchange Membrane) se construyen alrededor de un electrolito polimérico, y los electrolizadores de óxido sólido (SOEC, por sus siglas en inglés) se diferencian por estar compuestos en su totalidad por componentes cerámicos. A su vez, estos materiales condicionan los parámetros de operación del dispositivo, diferenciándose así entre electrolizadores de baja temperatura (alcalinos, PEM) y de alta temperatura (SOEC). Si bien los dos primeros se encuentran en una fase de comercialización temprana, existen ya diversos fabricantes y plantas de producción en el orden de los MW, en el caso de los electrolizadores de óxido sólido el desarrollo ha sido posterior, debido al reto tecnológico que supone la gestión de la alta temperatura. Sin embargo, este aspecto también propicia una serie de ventajas competitivas dignas de ser consideradas.
De una manera simplificada, la temperatura de operación de un electrolizador está directamente relacionada con la resistencia asociada a los procesos electroquímicos que ocurren en el interior del mismo. En el caso del SOEC esta resistencia es suficientemente baja a temperaturas superiores a 650 ºC. A estas temperaturas, sin embargo, la cinética de las reacciones y la termodinámica se ven favorecidas, lo cual conlleva que sea posible alcanzar eficiencias más altas que en sus competidoras de baja temperatura. Además, la temperatura propicia que sea posible la electrólisis de otros compuestos, en particular el CO2. Combinado con el agua en procesos conocidos como coelectrólisis, es posible producir gas de síntesis (CO + H2) en un solo paso, simplificando así el proceso de producción de este precursor industrial clave. Por último, se trata de un sistema totalmente reversible, por lo que no solo es posible producir hidrógeno a partir de agua, sino también el proceso inverso (convertir hidrógeno verde en electricidad limpia). Es decir, un mismo dispositivo puede utilizarse como electrolizador SOEC y como pila de combustible (SOFC).
La alta eficiencia, posibilidad de coelectrólisis y reversibilidad hacen que la SOEC esté considerada como una tecnología con una alta potencialidad en el futuro mercado del hidrógeno. Con sistemas robustos probados a escala de laboratorio, el reto a día de hoy está en la validación de su fabricación a escala, y su integración y validación en entornos reales. Esto, a su vez, ha de reducir significativamente los costes de producción para hacer de la SOEC una tecnología también competitiva en términos económicos. El Centro Nacional de Energías Renovables (CENER), desde su recientemente creada Área de Hidrógeno, está apostando por el desarrollo de esta tecnología, donde pretende contribuir con su dilatada experiencia en escalado, prototipado e integración de tecnologías de energía a hacer de la SOEC también una realidad a nivel industrial.
Los objetivos son: desarrollar la capacidad de producción de prototipos precomerciales (electrolizadores de hasta 10 kW), implementar estaciones electroquímicas de testeo y validación de estos prototipos y, finalmente, integrarlos en entornos reales, incluyendo el desarrollo de estrategias de control y optimización de uso. Dos instalaciones singulares de CENER serán clave para la consecución de estos objetivos: el Laboratorio de Hidrógeno (HyGrIn lab – Innovation for Green Hydrogen, Figura 2) puesto en marcha recientemente con equipamiento específico para la fabricación, escalado y testeo de celdas y stacks SOEC, y la microrred ATENEA, donde se integran diversas tecnologías de producción, almacenamiento y conversión de energía renovable para estudios de integración en red, hibridación y control.
El reto es grande, como lo es también la potencialidad de nuestro país para posicionarse apostando por una tecnología tan prometedora pero que tiene todavía una limitada presencia a nivel industrial. Por ello se hace necesario en estos momentos una apuesta decidida por el desarrollo tecnológico propio, que permita abordar todos los elementos de la cadena de valor del hidrógeno y en particular el relativo a la producción de hidrógeno. De esta forma se podrá desarrollar un tejido industrial necesario para la consecución de los objetivos previstos para las próximas décadas.