En el contexto de la producción de hidrógeno verde, la intermitencia de las fuentes de energía renovable, tales como la eólica o solar, hace particularmente adecuado el uso de electrolizadores de tipo PEM, debido a su buena capacidad de adaptación y respuesta con respecto a condiciones de operación variables, en comparación con otros tipos de electrolizadores
En el contexto de la producción de hidrógeno verde, la intermitencia de las fuentes de energía renovable, tales como la eólica o solar, hace particularmente adecuado el uso de electrolizadores de tipo PEM, debido a su buena capacidad de adaptación y respuesta con respecto a condiciones de operación variables, en comparación con otros tipos de electrolizadores.
El hidrógeno se ha convertido en un componente clave en la transición energética, auspiciado por los objetivos medioambientales y políticas que emanan de la Unión Europea y de los países del entorno, con la mirada puesta en la neutralidad climática de 2050. Actualmente, son varios los países que ya han presentado sus Estrategias de Hidrógeno, con objeto de apoyar e impulsar el sector, lo que constituye el primer paso para lograr el despliegue de las tecnologías del hidrógeno en toda su cadena de valor, contribuyendo a la descarbonización de sectores, tales como la industria pesada y el transporte.
No obstante, para lograr que tal despliegue sea efectivo en un plazo razonable es necesario, además, establecer directivas y normas, así como un sistema de garantías de origen que incentive la inversión por parte de las empresas en hidrógeno renovable. Y es que, hoy en día, el hidrógeno verde todavía no es económicamente competitivo con respecto al hidrógeno gris, obtenido a partir de reformado de gas natural, ni con los combustibles fósiles, por lo que es necesaria una reducción de costes. Uno de los elementos que contribuyen a este sobrecoste es el electrolizador en el que se produce el hidrógeno.
Actualmente, el hidrógeno verde se produce mediante la electrólisis de agua que, en suma, consiste en la ruptura de la molécula de agua en hidrógeno y oxígeno, aplicando una diferencia de potencial eléctrico procedente de una fuente de energía renovable, por ejemplo, eólica o solar. Existen diferentes tecnologías de electrólisis en distintos estadios de madurez; así, por ejemplo, la electrólisis alcalina (AE) es una tecnología madura desde hace décadas, seguida por la electrólisis de electrolito de membrana polimérica de intercambio de protones (PEMWE), mientras que las celdas electrólisis de óxido sólido (SOEC) y de membrana de intercambio aniónico (AEME) presentan un menor grado de madurez tecnológica.
En el contexto de la producción de hidrógeno verde, la intermitencia de las fuentes de energía renovable, tales como la eólica o solar, hace particularmente adecuado el uso de electrolizadores de tipo PEM, debido a su buena capacidad de adaptación y respuesta con respecto a condiciones de operación variables, en comparación con otros tipos de electrolizadores. En este sentido, este artículo pretende dar unas pinceladas acerca de los retos materiales a los que se enfrentan los electrolizadores de tipo PEM, para contribuir a la disminución de los gastos de capital asociados a los sistemas de producción de hidrógeno verde.
Un electrolizador de electrolito de membrana polimérica de intercambio de protones (PEMWE) está constituido por celdas individuales, denominadas conjunto membrana-electrodos o MEA, las cuales constan de un cátodo en el que tiene lugar la reacción de desprendimiento de hidrógeno (HER), un ánodo en el que transcurre la reacción de desprendimiento de oxígeno (OER) y una membrana polimérica, que hace las veces de separador y electrolito conductor de protones (H+). Los MEA se disponen entre placas terminales o bipolares metálicas colectoras de corriente formando un sándwich que, repetido adecuadamente un cierto número de veces, da lugar a un apilamiento o stack, el cual constituye el corazón del electrolizador. Una serie de elementos periféricos, o balance de planta, completará el sistema.
Los materiales tradicionalmente utilizados en los distintos componentes del electrolizador de membrana PEM suelen pertenecer al grupo denominado de materias primas críticas o fundamentales (CRM), las cuales se caracterizan por su escasez, elevado coste u otros condicionantes geoestratégicos, que limitan el acceso a las mismas. Así, los MEA contienen electrocatalizadores de tamaño nanométrico basados en platino y óxido de iridio, en el cátodo y ánodo, respectivamente, y la membrana electrolito suele ser de tipo perfluorosulfonado (Nafion). A esto hay que añadir que las placas bipolares se han solido recubrir con metales nobles, como por ejemplo oro o platino, y además los medios difusores y placas en contacto con el ánodo son de titanio.
En principio, es claro que el principal reto para disminuir el coste del electrolizador consiste en sustituir o limitar las cantidades de CRM utilizados en los componentes del mismo, manteniendo sus prestaciones y tiempo de vida útil, antes de ser reemplazado. En este sentido, cabe resaltar las siguientes estrategias:
Llegados a este punto es conveniente comentar que estas soluciones han de validarse en entornos reales antes de ser adoptadas por los fabricantes de electrolizadores, lo que en sí mismo constituye un reto añadido para su implementación. En esta línea, en CIDETEC Energy Storage tiene más de 20 años de experiencia en el ámbito de las tecnologías del hidrógeno, concretamente en producción de H2 mediante electrólisis, y en pilas de combustible PEM. En estas áreas, CIDETEC ha participado en numerosas iniciativas europeas y nacionales, apoyando en cada momento a las empresas del sector, relacionadas con el desarrollo de componentes clave para electrolizadores de membrana, con el objetivo final de reducir el coste del hidrógeno producido, el uso de materiales críticos y mejorar el rendimiento del proceso de producción de hidrógeno, lo que nos sitúa en una posición inmejorable para abordar los retos presentes y futuros que conlleva el despliegue del hidrógeno verde.