Los electrolizadores

¿Qué es un electrolizador?

El hidrógeno como fuente de energía limpia ya sabéis que es aquel  llamado hidrógeno verde que se genera mediante tecnologías que no requieren el uso de combustibles fósiles. Por tanto, evitan la emisión de gases nocivos y de efecto invernadero.

Aunque se está investigando en algunos métodos alternativos (por ejemplo la foto-biólisis que permite generarlo con energía solar, la manera actual de conseguirlo es utilizando electricidad generada por energías renovables.

Para que esto pueda producirse se utiliza el método de la electrólisis, por el cual se somete agua a un campo eléctrico para separar sus dos componentes: hidrógeno y oxígeno. La máquina que permite esta transformación se llama electrolizador y podemos encontrar varias tecnologías actualmente que consiguen esta separación.

Este hidrógeno verde que se genera funciona como vector energético de las renovables, pues permite almacenar esta energía. Después se puede volver a generar electricidad por medio de una pila de combustible.

Ahora que ya sabéis qué es un electrolizador y su papel en la transición energética, paso a explicar las tecnologías más extendidas de electrolizadores.

Partes de un electrolizador

Antes que meterme en que tipos de electrolizadores hay , estimo oportuno explicar básicamente de qué está compuesto un electrolizador.

A grandes rasgos un electrolizador tiene un conducto por donde entra el agua al llamado stack, el cual es el compartimento donde se produce la separación del agua en oxígeno e hidrógeno. Está compuesto por varias celdas electrolíticas.

Estas celdas poseen un ánodo y un cátodo, es decir, una parte con el polo positivo y otra con el polo negativo. En ellos se conectará una batería o algún tipo de fuente de energía continua.

El cátodo y el ánodo están fabricados con materiales conductores con características muy determinadas. Normalmente son necesarios metales preciosos como el platino o el paladio, lo cual supone buena parte del coste.

Entre estos conductores se sitúa un electrolito, que no es más que una sustancia que tiene en su composición electrones libres. Esto permite que haya un flujo de una de las partes de la molécula de agua, mientras que la otra no podrá traspasarlo.

En función de la tecnología se dará un tipo de reacción u otra y en todas obtendremos finalmente oxígeno en la parte positiva e hidrógeno en la negativa.

El stack entonces se puede considerar el pilar del electrolizador, no obstante, se requiere de otros elementos importantes. Por ejemplo se necesita un sistema de gestión y distribución de agua, un sistema para tratar y almacenar los gases y equipos de control y seguridad. Además el agua deberá ser desmineralizada para su uso.

Tipos de electrolizadores

Hoy en día existen tres tecnologías principales para la generación de hidrógeno por electrólisis, cada una con sus ventajas y sus inconvenientes. Hay mucha variedad tanto en eficiencia como en precio.

Así pues, tenemos varios tipos de electrolizadores : los alcalinos, los PEM y los SOE. En la siguiente figura os muestro una imagen (Fuente) de la diferencia de las celdas electrolíticas y luego paso a explicaros brevemente lo que es cada una.

Electrolizador Alcalino (AWE)

En estos electrolizadores se produce la separación en un medio alcalino como puede ser el hidróxido de potasio (KOH), coloquialmente conocido como potasa. Este elemento está disuelto en el agua y  ánodo y cátodo se sumergen la disolución.

Según la conexión de las celdas tendremos configuraciones monopolares o bipolares, siendo las primeras cuando ánodo y cátodo de las celdas se conectan en paralelo. En el caso en que se conecten en serie (o en cascada) hablaremos del segundo tipo.

Las ventajas de los bipolares son el menor espacio y los embarrados eléctricos más pequeños, aunque tienen la desventaja de tener menos eficiencia por corrientes parásitas.

Ambas zonas se separan con el llamado diafragma, el cual está compuesto por un tipo de material aislante eléctrico (normalmente cerámico) que permite la transferencia de iones entre ellos y que los gases no pasen de un lado a otro.

 Sin embargo se produce el cruce de gases, el grado de pureza del hidrógeno es menor y en algunos casos se trabaja a presiones relativamente bajas. Esto ha hecho que se busquen tecnologías más óptimas. Hasta la fecha estos electrolizadores son los más utilizados porque no requieren metales nobles, pueden alcanzar una capacidad considerable y el coste es relativamente bajo. Además de ser una tecnología totalmente desarrollada.

Electrolizadores de Membrana Polimérica (PEM)

Estos electrolizadores están compuestos por un ánodo y un cátodo, un depósito con material electrocatalizador dispersado sobre la superficie de éstos que ayuda a que se de la reacción química necesaria para separar las moléculas de agua.

También tienen una membrana polimérica que hace de electrolito y separa ambos electrodos. Esto permite separar ambos gases sin mezclarse y que haya una gran movilización de protones.

Como ventajas del electrolizador PEM tendríamos las altas densidades de corriente que maneja, las altas eficiencias de voltaje, la alta pureza de los gases y la rápida respuesta, entre otras cosas.

Por otro lado, como desventajas podrían destacarse el alto coste de los materiales electrocatalizadores y de los electrodos como el platino, el rodio o el iridio (metal muy raro). También destacaría tener un medio ácido corrosivo, la baja durabilidad y la baja potencia de trabajo.

Electrolizador de óxido sólido (SOE)

Los electrolizadores SOE utilizan una membrana de óxido cerámico como electrolito. No es un sistema muy comercializado hoy en día debido a sus temperaturas de operación de entre 600 y 800 °C.

Por el tipo de electrolito utilizado la reacción que se da en él es diferente, por lo que en este caso el agua entra por el cátodo y se trasmiten aniones de oxígeno hacia el otro lado, mientras que en el PEM se introducía el agua por el otro lado.

Las ventajas son que no requiere electrodos nobles, que trabaja a alta presión y que puede alcanzarse una eficiencia teórica del 100% en caso que se aproveche el calor generado. Además, compañías como la danesa Topsoe se vislumbran con un gran potencial por su capacidad para producir gas de síntesis y generar combustibles sintéticos de alta eficiencia a partir de éste.

Como desventajas tendríamos el volumen de su diseño, su baja durabilidad y la temperatura alta y difícil de manejar.

Electrolizador de membrana de intercambio aniónico (AEM)

Esta es la última tecnología que voy a desarrollar por estar en una fase de investigación principalmente. Actualmente hay una empresa que ha apostado fuerte por estos electrolizadores (Enapter), ya con una patente y en proceso de construir una fábrica en Alemania para su fabricación.

El funcionamiento es similar a los anteriores, salvo que en este caso se utiliza una membrana que consta de un esqueleto carbonado que permite el intercambio de aniones, mientras que en los anteriores se intercambian cationes.

Estos electrolizadores permiten trabajar en medio básico (mayor movilidad de electrones, menor corrosión) y además tiene la ventaja de usar un electrolito sólido (no hay pérdidas por electrolito y es de fácil manipulación).

Otras ventajas a considerar sería el uso de metales no nobles (o sólo algunas trazas) y el poder conseguir unas densidades de corriente de entorno a los 0.5 A /cm².

El principal problema asociado al uso de metales alcalinos es la formación de iones de carbonato que a la larga suponen una reducción de la vida útil del electrolizador. De todas formas, como en todos los casos anteriores, se trabaja en la utilización de materiales y aleaciones que reduzcan estos efectos nocivos.

Problemas de los electrolizadores

Hoy en día el problema principal de los electrolizadores es su precio, sobre todo el de los PEM, que pueden alcanzar el millón de euros para una planta que trabaje con 0.5 MW. Por tal razón las pocas inversiones que se han venido haciendo en los últimos años han sido en electrolizadores alcalinos, los cuales no ofrecen una eficiencia demasiado buena.

Pero cada vez más se está apoyando desde los gobiernos (sobre todo la Unión Europea) la inversión en este tipo de tecnologías y se estima que su precio bajará drásticamente en los próximos años.

En cuanto a los costes de operación también irán bajando conforme se creen infraestructuras de distribución mejores y el precio de la luz disminuya con el crecimiento de las renovables. Con la reducción de estos costes de inversión y de operación, se reducirá el precio del hidrógeno y permitirá que más gente adquiera vehículos de pila de combustible.

Aun así ya son bastantes las ciudades que están apostando por añadir una flota de autobuses de hidrógeno y tener centrales de generación de hidrógeno con renovables. De esta forma se fomenta la movilidad sostenible y se evita depender solamente de vehículos eléctricos en esta materia.

Un ejemplo es el de La Lloseta en las Islas Baleares, el cual se ha presupuestado por casi 47 millones de euros. Incluye hidrogenera, electrolizadores y planta solar para abastecer una flota de autobuses.

Sin duda alguna el hidrógeno verde va a ser un pilar importante en la transición energética y es importante que sepan estas cosas. Si te ha gustado, no dudes en compartir y en dejar abajo tus comentarios.