¿Cómo Conocer Mejor los Electrolizadores?

CRAIG GIFFORD:
Bienvenido a Pregúntale a Swagelok. Soy vuestro presentador, Craig Gifford, y hoy estoy aquí con Hassan El Ghoul, que es ingeniero de sistemas de fluidos en Swagelok Ontario, en la costa atlántica de Canadá.

Hemos estado hablando, Hassan, sobre la producción de H₂—concretamente, de los electrolizadores. Por si alguien está viendo esto y no está muy familiarizado con el tema, ¿podríais explicar qué es un electrolizador?

HASSAN EL GHOUL:
Por supuesto. Un electrolizador es un dispositivo que utiliza corriente eléctrica para dividir el agua en dos tipos de moléculas: oxígeno e H₂. Y esto es lo que buscamos. Estas moléculas, en las condiciones operativas en las que trabajamos, se encuentran en estado gaseoso.

Si observamos un electrolizador, vemos que tiene dos compartimentos. Cada compartimento tiene un electrodo: el cátodo, que está cargado negativamente; y el ánodo, que está cargado positivamente. Y dependiendo del tipo de electrolizador, estos dos compartimentos están separados utilizando un tipo diferente de membrana. Podría ser un diafragma poroso. Podría ser una membrana de polímero, dependiendo del tipo de electrolizador.

Hay muchos tipos de electrolizadores en el mercado. Los más comunes son los PEM (Electrolizadores de Membrana de Intercambio de Protones, Proton Exchange Membrane Electrolyzers) y los Electrolizadores Alcalinos.

CRAIG GIFFORD:
Así que dices que hay varios tipos de electrolizadores, concretamente dos principales. ¿Podrías explicar las diferencias entre ambos?

HASSAN EL GHOUL:
Por supuesto. Comenzaremos con el PEM, el Electrolizador de Membrana de Intercambio de Protones. Este electrolizador utiliza una membrana polimérica, y esa membrana permite que el ion hidrógeno, el protón, pase de un compartimento de electrodos a otro utilizando corrientes eléctricas. Por lo tanto, el H₂ se genera en el lado del cátodo.

Ahora, algunas características sobre el PEM—lo primero es que requiere una alta intensidad de corriente eléctrica, tiene una presión de salida elevada, lo cual es muy bueno porque nos da mucha presión. Por lo tanto, no es necesario aplicar mucha compresión posteriormente. Utiliza electrodos de metales nobles, como el platino, iridio y oro. Tiene una alta eficiencia electroquímica, lo cual es excelente. Y tiene una gran flexibilidad para adaptarse a los cambios de carga, lo que significa que es compatible con fuentes que fluctúan, como la eólica y la solar.

CRAIG GIFFORD:
Suena muy bien. Bien. Veamos. El otro tipo de electrolizador es el alcalino.

HASSAN EL GHOUL:
Este utiliza una solución electrolítica líquida, como el hidróxido de sodio o el hidróxido de potasio, comúnmente sosa cáustica. El ion hidróxido atraviesa un diafragma poroso. Así que en este caso se trata de un diafragma.

Algunas características del electrolizador alcalino—si lo comparamos con el PEM, consume una intensidad de corriente baja, pero eso afecta a la eficiencia. Produce bajas presiones de salida, lo que significa que hay que comprimirlo desde una presión inferior. Los electrodos están fabricados en acero de bajo coste, recubiertos con aleaciones de níquel, pero, obviamente, es mucho más barato que el PEM. Por último, la flexibilidad para adaptarse a los cambios: desafortunadamente, no es tan flexible para aceptar cambios de carga como el PEM.

CRAIG GIFFORD:
Bien. Entonces, Hassan, a medida que una nueva planta de producción de H₂ entra en funcionamiento, todos los sistemas de fluidos se someten a pruebas de aceptación de fábrica a lo largo del proceso. Incluso las fugas más pequeñas producen ineficiencias y problemas de seguridad. ¿Puedes explicarnos algunos de los problemas que pueden surgir con los electrolizadores y los factores que pueden influir en ellos?

HASSAN EL GHOUL:
Cuando pensamos en sistemas de electrólisis, al igual que muchos otros sistemas de H₂, debemos tener en cuenta dos aspectos importantes: seguridad—siempre es lo primero—y eficiencia.

Empecemos por la seguridad. Cuando pensamos en electrolizadores, pensamos en dos gases críticos. El primero es el H₂, que es un gas inflamable y que tiene un límite inferior de inflamabilidad del 4 % en aire. Y el otro gas es el oxígeno, que obviamente produce la combustión. Esto, en lo que a seguridad se refiere.

El segundo aspecto es la eficiencia. En caso de fuga, los gases fugarán a la atmósfera. Debemos recordar que hemos invertido mucha energía en esta electrólisis, y además estamos dedicando aún más energía para comprimirlo. Por lo tanto, perder gases a la atmósfera significa perder energía.

Así que, básicamente, lo que necesitamos es pensar en la tecnología de cierre adecuada. No cualquier tecnología de cierre, sino una tecnología de cierre diseñada para gases de pequeña molécula, que pueda contenerlo todo.

CRAIG GIFFORD:
Así es. Así, el tamaño de la planta afecta directamente al electrolizador en cuanto a capacidad y eficiencia, incluso en aspectos como la escalabilidad y la economía. ¿Qué se puede hacer para solucionar algunos de estos problemas comunes?

HASSAN EL GHOUL:
Empecemos hablando sobre los factores que afectan la eficiencia de un electrolizador. Podemos hablar de escalabilidad. Uno de los factores que influyen en la eficiencia de un electrolizador es la temperatura. Por lo general, las temperaturas más altas producen una mayor eficiencia en un electrolizador. Otro aspecto son los materiales de los electrodos, que aumentan la eficiencia de este proceso de electrólisis en su conjunto. Ahí está la intensidad de la corriente. Ya lo hemos mencionado cuando hemos hablado sobre los diferentes tipos de electrolizadores, pero lógicamente, unas intensidades de corriente más elevadas favorecen una mayor producción de H₂ y eficiencia. Y, por último, la concentración de electrolitos. Cuando aumentamos esa concentración, estamos potenciando la conductividad y la eficiencia del electrolizador.

Y ahora, pensemos en los retos que plantean los sistemas de electrólisis y la escalabilidad. En primer lugar, hay que pensar en los elevados costes de capital. Los electrolizadores son caros, especialmente los electrolizadores como los PEM o los que utilizan metales nobles. Por lo tanto, estamos invirtiendo un capital muy elevado.

La segunda cuestión es que, cuando pensamos en electrolizadores, no solo nos referimos a la unidad electrolizadora, sino a toda la infraestructura de apoyo. Tenemos que pensar en la compresión, en las estaciones de servicio, en el almacenamiento, tuberías virtuales. Es todo un sistema que funciona en conjunto. Ya hemos hablado sobre la eficiencia; sin duda, es un reto. Si comparamos la electrólisis con otros modos de producción de H₂, como la conversión del metano con vapor, tiene una eficiencia menor.

Esto me lleva al siguiente punto, que es la competencia. Es un panorama muy competitivo porque estamos comparando este modo de producción de H₂ con otros modos más establecidos, como la conversión del metano con vapor. Así que es muy difícil que sea competitivo a mayor escala.

CRAIG GIFFORD:
Entonces, Hassan, dinos, ¿qué otras cosas deberían tener en cuenta los diseñadores al construir contando con electrolizadores?

HASSAN EL GHOUL:
Los diseñadores deben prestar atención a los subsistemas que apoyan al electrolizador y toda la dinámica de fluidos. Tenemos el tamaño de las líneas. ¿Tienen que ser muy grandes? Se habla mucho de velocidades de erosión. ¿Es un problema? Porque eso lleva a tamaños más grandes que disminuyen la eficiencia, el volumen, el coste, el espacio que ocupa—muchos aspectos que se derivan de utilizar tamaños de línea más grandes.

Podemos pensar en sistemas de recuperación de calor, en el tamaño de las válvulas, en los subsistemas que acondicionan el H₂ antes de llevarlo a compresión. Podemos pensar en las válvulas de alivio, desde el punto de vista de la seguridad. Podemos pensar en las configuraciones de venteo. Existen muchas normativas, como la CGA 5.5. Podemos pensar en purgar y, por supuesto, también podemos pensar en calidad. Necesitamos evaluar la calidad de este H₂. Este H₂ acabará quizá en una pila de combustible, que es muy sensible a la calidad.

CRAIG GIFFORD:
¿Entra en juego aquí la toma de muestras?

HASSAN EL GHOUL:
Así es. La toma de muestras es un medio, pero también podría ser un analizador en línea.

CRAIG GIFFORD:
Bueno, Hassan, gracias por compartir tus conocimientos sobre electrolizadores.

HASSAN EL GHOUL:
Muchas gracias. Y gracias a ti por acompañarnos en Pregúntale a Swagelok.