¿Cómo podemos producir hidrógeno con cero emisiones de carbono? Es una pregunta a la que es importante dar respuesta para afrontar el reto global de la mitigación del cambio climático.  Y la electrólisis del agua es un componente clave de cualquier sistema energético futuro destinado a alcanzar este objetivo.

El hidrógeno es un importante producto industrial. Se utiliza como materia prima química para la producción de productos petroquímicos, acero, vidrio y fertilizantes; como vector energético para sistemas de transporte limpios; como energía y calor combinados para uso doméstico; y como potencial medio de almacenamiento para la red eléctrica. Para todas estas aplicaciones es necesario un método de producción con cero emisiones para cumplir los objetivos de emisión de carbono, y la necesidad es urgente. 

Muchas empresas (como por ejemplo, Hitachi) y autoridades locales se han propuesto ser neutrales en cuanto a las emisiones de carbono para 2030, un objetivo ambicioso que debe cumplirse en menos de una década y que requiere un gran cambio en la producción. Un método importante que cumple este requisito es la electrólisis del agua, que utiliza electricidad renovable o, al menos, sin emisiones de carbono. Sin embargo, para cumplir estos ambiciosos objetivos, es necesario acelerar la investigación y el desarrollo de tecnologías de producción de hidrógeno.

CIC energiGUNE ya participa en la investigación de la producción de hidrógeno por ciclos termoquímicos y pretende aumentar su esfuerzo en toda la cadena de valor del hidrógeno.

Los "colores" del hidrógeno

El hidrógeno puede producirse utilizando energía para dividir el agua produciendo los dos elementos constitutivos del hidrógeno y el oxígeno. Esta energía puede ser calor, luz, energía eléctrica o energía química, o cualquier combinación de ellas.

La producción convencional de hidrógeno se presenta en tres "colores", dependiendo de la cantidad de carbono liberado en el proceso de producción.  El método actual más común es el reformado al vapor del metano, produciendo lo que se llama hidrógeno "gris" con la emisión de dióxido de carbono a la atmósfera. Si el dióxido de carbono producido por el reformado al vapor se secuestra mediante la Captura y Almacenamiento de Carbono (CAC o CCS por sus siglas en inglés), entonces se produce hidrógeno "azul". 

La cuestión que nos planteamos es cómo producir hidrógeno "verde" utilizando una fuente de energía renovable y sin emisiones de carbono.  

Tecnologías de electrólisis

La electrólisis tiene sus raíces en los experimentos sobre electroquímica del siglo XIX. De hecho, los electrolizadores se han desarrollado a lo largo de los últimos 100 años y se dividen en tres categorías principales: electrólisis de agua alcalina (AWE), electrólisis de agua con membrana de polímero (PEMWE) y celda de electrólisis de óxido sólido de alta temperatura (SOEC)

La más madura de estas tecnologías es la AWE, con grandes unidades comerciales disponibles, habiéndose demostrado unidades de hasta 100MW. Sin embargo, adolecen de problemas de eficiencia y de una escasa dinámica de arranque y parada, lo que dificulta su acoplamiento a las fuentes de energía renovables. 

Más recientemente, el desarrollo de las PEMWE ha avanzado considerablemente y la empresa británica ITM power se ha convertido en el mayor fabricante de PEMWE del mundo. ITM ha desarrollado módulos PEM de 2 MW y tiene previsto instalar una unidad de 20 MW en el parque eólico Whitelee de Scottish Power Renewables (parte del grupo de empresas Iberdrola), cerca de Glasgow, para alimentar los autobuses de celdas de combustible con hidrógeno, como parte del objetivo de Glasgow de convertirse en una ciudad de energía neta cero para 2030.

Uno de los inconvenientes de la tecnología PEM es el uso de iridio y platino como catalizadores en los electrodos. Ambos son elementos raros, y el iridio es especialmente preocupante, ya que la producción anual es de sólo unas pocas toneladas, lo que podría limitar la adopción a gran escala de los teravatios necesarios para cumplir los ambiciosos objetivos de reducción de carbono.

La menos desarrollada es la SOEC, que funciona a temperaturas que suelen oscilar entre los 600C y los 850C y que, más correctamente, debería denominarse electrólisis de vapor. Es intrínsecamente más eficiente que la electrólisis del agua y puede ser especialmente ventajosa cuando se dispone de calor residual de proceso. Las SOEC también pueden proporcionar una vía para la producción de combustibles líquidos para el transporte, aprovechando la infraestructura de transporte actual. La co-electrólisis de dióxido de carbono y agua se utiliza para producir syngas, una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono (una materia prima para la producción de combustible líquido); esto proporciona un bucle cerrado para el uso del carbono y tiene muchas ventajas siempre que se puedan desarrollar SOECs duraderas de bajo coste. 

Estamos en camino de lograr este objetivo. De hecho, el siguiente diagrama muestra la integración de la electrólisis en un futuro sistema energético de emisiones cero.

SENER y Petronor, del llamado Corredor Vasco del Hidrógeno, en el que CIC energiGUNE participa activamente, anunciaron en marzo de este año la instalación de una AWE de 2MW en Amorebieta que producirá hidrógeno verde a través de la electrólisis del agua. "El Corredor Vasco del Hidrógeno tiene previsto construir tres instalaciones de producción de hidrógeno que requerirán electrolizadores. La primera de ellas, una planta de Petronor, entrará en funcionamiento a finales de 2022. El objetivo de esta planta de 2 MW será suministrar hidrógeno renovable a las instalaciones del Parque Tecnológico de Abanto. La segunda, de Petronor, EVE y Enagas, supondrá la instalación de un electrolizador de 10 MW, que entrará en funcionamiento en 2024 en el Puerto de Bilbao, cuya producción irá a parar a la planta de combustible sintético. Y el tercero, previsto para 2025, contará con un electrolizador de hasta 100 MW para ayudar en el proceso de descarbonización de Petronor y abastecer las necesidades del propio Corredor Vasco del Hidrógeno".

Por otro lado, Iberdrola quiere convertirse en el referente en la producción de hidrógeno verde con la puesta en marcha de la planta de Puertollano; una planta solar fotovoltaica de 100 MW, un sistema de baterías de iones de litio con una capacidad de almacenamiento de 20 MWh y uno de los mayores sistemas de producción de hidrógeno electrolítico del mundo (20 MW). Todo ello a partir de fuentes 100 % renovables.

Está claro que las tres tecnologías de electrólisis tienen un papel que desempeñar en cualquier sistema energético descarbonizado. Sin embargo, si queremos cumplir algunos de los ambiciosos objetivos que se han anunciado, se requiere un enorme esfuerzo para acercarse siquiera a estos objetivos. 

Se ha calculado que se necesitarían 1.600 gigavatios de electrólisis para descarbonizar el transporte pesado en Europa, lo que se convierte en muchos teravatios si se extrapola a todo el mundo.

La necesidad de electrolizadores de bajo coste y alta eficiencia para producir hidrógeno verde es un área de investigación fértil y que está llamada a convertirse en un gran reto para la comunidad mundial de investigación y desarrollo.

Autor: John Kilner, asesor científico de CIC energiGUNE y investigador principal, ex catedrático de materiales energéticos del BCH Steele, ex jefe del Departamento de Materiales y ex decano de la Real Escuela de Minas (Imperial College de Londres).

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