Energetica. Abril 2022

Divide y vencerás: electrolizadores de agua desacoplados Una de las rutas más prometedoras para la acumulación de energía generada a través de fuentes renovables intermitentes es la producción de hidrogeno a través de la electrólisis de agua entre dos electrodos donde se produce simultáneamente hidrógeno y oxígeno. Aunque el proceso parezca sencillo, la tecnología actual presenta varios retos asociados a la eficiencia, durabilidad, coste y seguridad. PARAMACONI RODRÍGUEZ GROUP LEADER DEL ÁREA DE TECNOLOGÍAS DEL HIDRÓGENO DE CIC ENERGIGUNE E n la actualidad existen dos tipos de electrolizadores de agua comercial- mente disponibles y que esencial- mente dependen del pH del medio en el que operan: los electrolizadores alcalinos (EA) y los electrolizadores de membrana de inter- cambio de protones (PEM). Los EA comerciales son capaces de gene- rar hasta 750 Nm³/h de hidrógeno, mientras que los electrolizadores comerciales PEM pueden generar hasta 30 Nm³/h de H 2 . Desa- fortunadamente, ambos tipos tienen proble- mas técnicos bien conocidos, que incluyen bajas densidades de potencia de los stacks, complejidad del sistema, inestabilidad a largo plazo debido a la degradación de sus componentes, y alto costo asociado al coste de los catalizadores y de las membranas. Retos asociados a los electrolizadores convencionales Actualmente, el hecho de que los electroliza- dores alcalinos tengan unmenor coste total y de mantenimiento y una mayor durabilidad, los hacen más atractivos para aplicaciones industriales. Sin embargo, en una configura- ción de “zero-gap (cuando el espacio entre membrana y electrodos es nulo)” ésta sufre de problemas de conductividad asociados al electrolito y a la formación y acumulación de burbujas en la interfaz. Estos dos aspectos afectan considerablemente a la mejora de la densidad de potencia de los stacks de los electrolizadores alcalinos. Además, uno de los principales problemas tanto de los EA como de los PEM es la per- meación de gases a través de las membra- nas. De hecho, aunque se ha progresado considerablemente en el desarrollo demem- branas para electrolizadores aumentando su conductividad iónica y disminuyendo su permeabilidad de gases, las membranas actuales no son completamente impermea- bles a los gases y, en particular, al hidrógeno. Esto supone un reto, ya que la permeación de gases a través de la membrana puede re- sultar en mezclas explosivas de H 2 y O 2 . Por esta razón, las presiones de gases generadas como el hidrógeno y el oxígeno, deben ser controladas muy cuidadosamente para evi- tar que permeen entre los compartimientos anódicos y catódicos. Sin embargo, el problema de separar los gases de un electrolizador cuando se en- cuentran conectados a fuentes renovables de energía como la eólica o la solar, es aún más complejo, ya que la potencia de entra- da es variable y, por lo tanto, la velocidad de generación del H 2 y O 2 también es también variable. Esto implica que, a bajas densida- des de corriente, la producción de gases sea lenta y muy similar a la velocidad de permeación del gas a través de la membra- na. Por ejemplo, un electrolizador acoplado a placas solares con una eficiencia de 10% de transformación de energía sol-combus- tible y bajo la exposición solar de 100 mW cm –2 operaría a una densidad de corriente, de 10 mA cm –2 , que es considerado un buen punto de referencia. Sin embargo, en estas densidades de corriente, la permeación de hidrógeno puede ser potencialmente pe- ligrosa ya que el límite potencial de explo- sión en mezclas de hidrógeno y oxígeno son de tan solo el 4%. Figura 1: Comparación de los diagramas de un electrolizador de agua convencional simplificado (A) y un electrolizador de agua desacoplado en medio líquido (B). En la figura B a la derecha, la evolución de O 2 se encuentra acoplada a la reducción del mediador redox (M Oxi +2e - +2H + à MRed) y a la izquierda la evolución de H 2 se encuentra acoplada a la oxidación del mediador redox (MRed à M Oxi +2e-+2H + ). Hidrógeno 54 ENERGÉTICA XXI · 215 · ABR 22