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.
