El estudio evalúa los costes de los electrolizadores PEM de alto rendimiento para el hidrógeno

Imagine un futuro energético libre de la dependencia de los combustibles fósiles, donde la energía renovable limpia produce continuamente hidrógeno "verde" para alimentar industrias, transporte y la vida diaria. Esta visión se está convirtiendo rápidamente en realidad a través de los electrolizadores de membrana de intercambio protónico (PEM), una tecnología crítica que está ganando una atención significativa para la producción de hidrógeno.

A medida que se intensifica el enfoque global en la protección ambiental y el desarrollo sostenible, la energía limpia se ha convertido en el centro de las futuras transiciones energéticas. El hidrógeno, con su alta densidad energética y propiedades de cero emisiones, emerge como un prometedor portador de energía limpia. El acoplamiento de la energía renovable con la electrólisis del agua representa el método de producción más respetuoso con el medio ambiente, produciendo lo que se denomina "hidrógeno verde". Las tecnologías actuales de electrólisis del agua incluyen principalmente la electrólisis alcalina del agua (ALK), la electrólisis de membrana de intercambio protónico (PEM), la electrólisis de óxido sólido a alta temperatura (SOEC) y la electrólisis de membrana de intercambio aniónico de polímero sólido (AEM).

La tecnología de electrólisis PEM destaca por su rápida respuesta a las fluctuaciones de energía, lo que la hace particularmente adecuada para la integración con fuentes de energía renovables. El electrolizador PEM, el componente principal de los sistemas de electrólisis del agua, utiliza agua pura como materia prima, transportando eficientemente los iones de hidrógeno (protones) generados en el ánodo al cátodo a través de la membrana de intercambio protónico, donde se forma el gas hidrógeno.

Un electrolizador PEM descompone el agua en hidrógeno y oxígeno mediante electrólisis. El sistema consta de componentes de cátodo y ánodo. En el ánodo, las moléculas de agua pierden electrones (reacción de oxidación), formando oxígeno y protones. En el cátodo, los iones H+ migran a través de la PEM para combinarse con electrones y formar hidrógeno.

Las principales ventajas de la tecnología incluyen capacidades de respuesta dinámica rápida que se adaptan a la variabilidad inherente de la energía renovable. En comparación con otros métodos de electrólisis, los electrolizadores PEM logran mayores densidades de corriente, diseños más compactos y una pureza de hidrógeno superior, atributos que los posicionan como los principales candidatos para la producción de hidrógeno alimentada por energías renovables.

Estudios recientes han avanzado la tecnología de electrolizadores PEM en varias áreas críticas:

Materiales de membrana: Los investigadores se centran en el desarrollo de membranas con mayor conductividad protónica, estabilidad química mejorada y menores costos. El trabajo notable incluye membranas de electrolito polimérico de polietersulfona-polivinilpirrolidona a alta temperatura que demuestran un rendimiento excepcional de arranque y parada.

Catalizadores de electrodos: Las investigaciones buscan catalizadores eficientes y estables para reducir el sobrepotencial y mejorar la eficiencia energética.

Optimización operativa: Los estudios demuestran cómo ajustar la temperatura, la presión y la densidad de corriente puede mejorar la producción de hidrógeno y la eficiencia energética. La optimización de parámetros ha demostrado un potencial de reducción de costos de energía del 4-7%, y las temperaturas de entrada del electrolito por debajo de 60 °C resultan óptimas.

Diseño estructural: Las innovaciones en las configuraciones de los canales de flujo y los métodos de ensamblaje de pilas mejoran la uniformidad de la distribución de la corriente y el equilibrio de la concentración del producto.

Integración del sistema: La investigación explora estrategias de acoplamiento de energía renovable y métodos de control. Los análisis del ciclo de vida estiman los costos de hidrógeno nivelados entre 17,48 y 24,33 €/kg para los sistemas solares-PEM, mientras que el modelado dinámico de unidades a escala comercial (60 kW) informa las estrategias operativas. Los estudios enfatizan la importancia crítica de la gestión de la temperatura y la presión para la fiabilidad del sistema.

Los costos de producción de hidrógeno influyen significativamente en la comercialización de los electrolizadores PEM. Con las tarifas eléctricas industriales chinas típicas (0,066 $/kWh) y gastos de capital de 4.120 $/Nm³/h, los costos de producción alcanzan los 0,531 $/Nm³. La inversión en equipos constituye el principal factor de costo.

Las proyecciones de la industria anticipan reducciones de costos del 40% para los electrolizadores PEM de seis pilas, que representan el 60% de los gastos de capital de la tecnología. El acoplamiento con energía renovable (a 0,014 $/kWh) demuestra un potencial de reducción de costos del 21,97%. Los escenarios futuros sugieren que los costos podrían caer al 35,8% de los niveles actuales cuando se integran con las energías renovables. Si bien la cantidad de pilas inicialmente impacta significativamente en los costos, esta sensibilidad disminuye a medida que aumenta la escala debido a los efectos de límite.

Una plataforma de prueba de electrolizador PEM de 190 Nm³/h evaluó las características de rendimiento dinámico. El sistema demostró un arranque en frío en 6.340 segundos, un apagado en 855 segundos y un arranque en caliente en 1.100 segundos, lo que exhibe excelentes capacidades de respuesta. Durante el funcionamiento estable, las fluctuaciones de temperatura se mantuvieron por debajo de 5 °C, lo que indica un control térmico eficaz.

Las mediciones de pureza del gas mostraron concentraciones de oxígeno en hidrógeno de alrededor del 0,25% e hidrógeno en oxígeno cercanas al 1,69%. Los investigadores observaron variaciones transitorias de concentración durante las fases de apagado y arranque, atribuidas principalmente a los períodos de calentamiento de los instrumentos. Estos hallazgos sugieren extender las secuencias operativas de arranque en al menos 400 segundos para acomodar la preparación del equipo.

A medida que la fabricación de electrolizadores PEM se escala y se expande el despliegue de energía renovable, se proyecta que los costos de producción disminuyan sustancialmente, potencialmente alcanzando el 35,8% de los niveles actuales. Esta mayor competitividad posiciona a la tecnología para una adopción generalizada en la economía del hidrógeno emergente.

El electrolizador PEM de 190 Nm³/h demostró un rendimiento dinámico robusto, con la gestión térmica manteniendo un funcionamiento estable dentro de rangos de temperatura estrechos. Mejoras adicionales en la eficiencia de la separación gas-líquido podrían reducir los fenómenos de cruce y mejorar el rendimiento de la producción. Los protocolos operativos deben tener en cuenta los requisitos de calentamiento del equipo para garantizar un rendimiento constante durante las secuencias de arranque.