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Fuente: https://www.pv-magazine.com

La competencia se está intensificando en el espacio de los electrolizadores. Dado que la Agencia Internacional de Energía (AIE) espera 380 GW de capacidad de producción de hidrógeno en 2030, es probable que cuatro tecnologías diferentes se vuelvan prominentes a medida que aumenta la demanda. Echamos un vistazo al mercado.

El electrolizador AEMWE no requiere metales nobles en sus celdas, lo cual es una ventaja, según el desarrollador Hyter. Foto: Hyter

Convertir toda la producción actual de hidrógeno gris de combustibles fósiles en la forma verde del portador de energía requeriría 950 TW de capacidad de electrolizador. Con una capacidad de electrolizadores de cuatro a cinco PW esperada para 2050, la Oficina Europea de Patentes y la IEA esperan que cuatro tecnologías de electrolizadores diferentes dominen el campo.

La electrólisis de agua alcalina, que involucra dos electrodos hechos de un metal no noble (típicamente níquel) que operan en una solución de electrolito alcalino líquido, es la tecnología más antigua. La electrólisis de membrana de electrolito de polímero (PEM), introducida en la década de 1960 como una tecnología de pila de combustible, comprende un electrolito de polímero sólido y ya se ha comercializado. Las celdas de electrolizadores de óxido sólido (SOEC), que se encuentran en una fase de demostración previa a la comercialización, utilizan un electrolito de óxido sólido, o cerámico, para producir gas hidrógeno. Por último, la tecnología de membrana de intercambio aniónico (AEM) es una evolución de la electrólisis del agua alcalina y actualmente se encuentra en una fase de aceptación en el mercado.

Aumento de la inversión

En la última década, los sistemas de electrólisis PEM y SOEC han registrado un mayor número de familias de patentes internacionales publicadas que la electrólisis de agua alcalina. Impulsada por los esfuerzos de descarbonización y los mercados energéticos ajustados, la inversión en electrólisis se está acelerando y también cambiando de enfoque.

“Las becas abiertas para trabajos académicos se centraron más en aumentar la eficiencia de la celda y en los materiales adecuados para el electrocatalizador y la membrana”, dice Andras Perl, científico del “Entrance” (Centro de Transición de Energía), Centro de Expertise Energy en la Universidad de Ciencias Aplicadas de Hanze en los Países Bajos. “Ahora, la atención se centra principalmente en la mejora y, finalmente, en aumentar la economía de la electrólisis; cómo puede hacer algo comercialmente viable a partir del proceso, no solo hidrógeno. El peróxido de hidrógeno es un ejemplo”.

La inversión principal actualmente se dirige a materiales más baratos, producción en serie y mayor automatización de la fabricación de células. Los observadores de la industria esperan que los costos bajen, pero se han abstenido de hacer predicciones de costos. En esta etapa, se espera que la innovación radical, como la producción de hidrógeno directamente del sol, sin electricidad, permanezca al margen del mercado de electrolizadores.

“No veo que la industria adopte, en ningún momento [pronto], la tecnología basada en electrocatalizadores que activan la luz”, dice Perl. “Es más un enfoque de investigación universitaria”. El científico de la Universidad de Hanze explica que ampliar la tecnología desde el laboratorio puede ser complicado, ya que la estabilidad del sistema puede resultar difícil de lograr.

tecnología PEM

Las empresas europeas están trabajando en la optimización de sus productos, centrándose principalmente en sus negocios principales. “Actualmente nos estamos concentrando en mejorar aún más nuestra tecnología de electrolizadores PEM”, dice Manuel Kuehn, jefe de ventas de sistemas de energía sostenible en Siemens Energy. Los electrolizadores PEM funcionan a presiones y densidades de corriente más altas, lo que significa que ocupan menos espacio que los sistemas de electrólisis de agua alcalina.

En el campo de la producción de electrolizadores PEM, al igual que con su tecnología predecesora, los fabricantes de equipos originales están presentando una solución única para todos, al menos por ahora. Esperan optimizar sus productos en función de las necesidades locales cuando la industria madure.

“En este momento, todavía no existe el volumen de pedidos o el personal para trabajar en diferentes configuraciones del sistema”, dice Kuehn. “En algún momento, sin embargo, este será el caso”. Los proyectos son aún comparativamente pequeños, pero están ganando experiencia práctica en el campo. “Esta es la única forma de mejorar nuestra confianza en la viabilidad a largo plazo de las soluciones técnicas”, añade. “Con mejores datos, podemos ayudar a nuestros clientes a financiar los proyectos”.

tecnología AEM

Hyter, parte del grupo de gas italiano Pietro Fiorentini, está apostando por los electrolizadores de agua AEM (AEMWE). Listo para la etapa comercial, la compañía está produciendo y vendiendo sus AEMWE, todos con química de pila interna.

“Somos la empresa que actualmente produce los tamaños de AEMWE más grandes disponibles en el mercado, con nuestra pila Rigel que produce 2 Nm 3 [metro cúbico normal]/h y el ambicioso objetivo de perfeccionar nuestro concepto de pila Sirius en los próximos meses, que produciría 50 Nm 3 /h de hidrógeno solo”, dice Massimiliano Masperi, especialista de producto de Hyter.

Masperi dice que, al igual que con otros desarrolladores de AEMWE, Hyter experimentó dificultades técnicas con algunos prototipos, pero ahora ha finalizado un concepto de ingeniería. “Sin considerar el balance de la planta, llegamos a 4,3 kWh por Nm 3 de hidrógeno producido, a 25 bar de presión de salida, y una alta pureza del 99,95% sin unidad de depuración”, dice Masperi, explicando que la tecnología AEM está en marcha. viniendo por tres razones.

El tipo de electrolizador alcanzó eficiencias de reacción “que son altamente competitivas en comparación con todas las demás tecnologías”, dice Masperi. Al mismo tiempo, al usar una menor concentración de electrolitos alcalinos, Aemwe no requiere metales nobles en las celdas. También se beneficia de celdas que pueden soportar presiones de trabajo de hasta 25 bar, saltándose así la primera etapa de compresión. “Entonces, al final, el costo nivelado del hidrógeno entre AEMWE y otras tecnologías, cuando es comparable en dimensión y tamaño, es menor”, ​​agrega.

Perl, científico de la Universidad de Hanze, dice que el principal inconveniente de la tecnología AEM es el diseño y el equilibrio de la planta, que, según se informa, requieren trabajo adicional. Hyter no está de acuerdo.

Electrolizadores alcalinos

Un artículo de 2018 de Karim Ghaiba y Fatima-Zahrae Ben-Fares encontró que la eficiencia operativa (electricidad a hidrógeno) de los electrolizadores alcalinos está entre el 62 % y el 82 %, en comparación con el 67 % y el 82 % de los sistemas PEM. La eficiencia del óxido sólido aún no se ha aclarado.

Las tecnologías PEM y AEM pueden aumentar y disminuir más rápido que los electrolizadores alcalinos, pero la diferencia, aunque relevante en un laboratorio, es menos visible en instalaciones a gran escala. Las unidades tardan un tiempo en adaptarse a la entrada de energía, tanto en el caso de los sistemas PEM como alcalinos, ya que los componentes adicionales alrededor de la pila requieren tiempo.

Ulf-Steffen Bäumer, jefe del centro de innovación, servicio y digitalización del fabricante alemán de electrolizadores ThyssenKrupp Nucera, dice: “Cuando aplica energía renovable en aplicaciones de 5 GW, esto no fluctuará en una fracción de segundo. Estas fluctuaciones pueden tardar minutos. Entonces, la diferencia entre PEM y alcalino está limitada en aplicaciones reales. Tanto PEM como alcalino tendrán sus puntos fuertes”. ThyssenKrupp se centra en la tecnología alcalina.

Bäumer explica que la empresa lleva a cabo electrólisis de cloro-álcali desde principios de los años ochenta. En este caso, el lado del cátodo, la producción de hidrógeno, es la misma. “Esta es una ventaja significativa para proyectos a gran escala”, dice. “Existe una cadena de suministro de fabricación existente. Así que ya tenemos una cadena de suministro de 1 GW, que aumentará, en los próximos años, a 5 GW”.

Además, al igual que los sistemas AEM, la electrólisis de cloro-álcali utiliza una cantidad limitada de metales nobles.

ThyssenKrupp Nucera está diseñando y vendiendo módulos estandarizados de 20 MW. “Cada uno consta de electrolizadores, la pila y algunos equipos centrales para cerrar los electrolitos del ciclo de electrolitos líquidos y entregar el gas de hidrógeno con arrastre de agua reducido”, agrega Bäumer. “Este es el caso en todas las geografías. Se requieren adaptaciones mínimas”.

La tendencia de la tecnología de electrolizadores de agua alcalina es aumentar la temperatura, pero ThyssenKrupp considera que aumentar la temperatura es un tema para el futuro, no para los esfuerzos de optimización actuales. “Operamos nuestros electrolizadores de cloro-álcali a 90 C, que ya es bastante alta”, dice Bäumer.

Tecnología SOEC

Desde un punto de vista termodinámico, el proceso de electrólisis tiene una mayor eficiencia electrónica a temperaturas más altas. El sistema necesita menos electricidad pero requiere una fuente de calor. Los expertos coinciden en que la tecnología SOEC tiene una ventaja a este respecto, ya que funciona entre 600 C y 800 C. Los proveedores ahora se están enfocando en aumentar la estabilidad para este rango de temperatura.

“No veo muchos electrolizadores de óxido sólido”, dice Perl. “Vi más trabajo sobre celdas de combustible de óxido sólido”.

Los expertos de la industria dicen que hay espacio para varias tecnologías de electrólisis a largo plazo, ya que la demanda será tan alta que ninguna tecnología por sí sola, ni un número limitado de empresas, podrán satisfacer el apetito por los equipos de hidrógeno verde. Al mismo tiempo, se esperan operaciones de fusión y adquisición.

“Muchos jugadores nuevos están evolucionando: nuevas empresas ingresando a este campo, desde nuevas empresas hasta empresas de campos no relacionados con las plantas químicas”, dice Bäumer de Thyssenkrupp. “Es un ambiente muy dinámico. Desde una perspectiva comercial, habrá consolidación, como está sucediendo ahora. Aún así, habrá grandes jugadores, pero también jugadores locales”.

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