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Producción de hidrógeno verde
Existen múltiples alternativas para la producción de hidrógeno, una de ellas corresponde a la producción a través de un proceso electroquímico denominado electrólisis, en el cual, mediante la adición de electricidad proveniente de fuentes renovables, es posible la separación de la molécula de agua (H2O) en hidrógeno y oxígeno.
Agua
Desde el punto de vista del balance químico se requieren aproximadamente 9 litros de agua para producir 1 kilogramo de hidrógeno, obteniendo, además, 8 kg de oxígeno puro como subproducto. No obstante, debido a distintas ineficiencias a lo largo de la cadena de valor y considerando el proceso de desalinización se requerirán entre 18 a 24 litros de agua por cada kg de hidrógeno (IRENA, 2020).
1
1 µS/cm @ 25ºC es la conductividad eléctrica máxima del agua que pueden recibir los electrolizadores.
2%
del costo total de producción de hidrógeno correspondería al costo de desalinizar el agua (0,01 – 0,02 USD/kg-H2) (IEA, 2019).
Costos de producción de H2
El proceso de electrólisis del agua para la obtención de hidrógeno no es un proceso nuevo, sino que se remonta hasta principios de 1800. No obstante, es en la actualidad en donde este método de producción ha cobrado una gran relevancia. Esto se debe principalmente a la reducción de costos asociados tanto a la tecnología para la electrólisis del agua como también los costos de la energía renovable, en donde, por ejemplo, la energía solar ha visto caer sus costos en más de un 80% desde el año 2010 y los costos de la energía eólica se han reducido cerca de un 40% en el mismo periodo (IRENA, 2021). Esta tendencia de costo permitirá, a su vez, reducir el costo de producción de hidrógeno verde
Electrolizadores
Los electrolizadores son sistemas que utilizan electricidad para romper la molécula de agua en hidrógeno y oxígeno. Como producto principal se tiene hidrógeno en forma gaseosa, y, además, oxígeno como subproducto. En su forma más básica un electrolizador contiene un cátodo, un ánodo y una membrana, los cuales se disponen en dos diseños principalmente: electrolizadores monopolares y bipolares
Los electrolizadores con celdas monopolares contienen ánodos y cátodos aislados unos de otros por separadores, formando así una unidad de celda. La unión de múltiples unidades en paralelo dará la forma final al electrolizador
En el caso de las celdas bipolares, los electrodos operan por una cara como cátodo y por la otra como ánodo los cuales se conectan en serie formando un único módulo
Tipos de electrolizadores
Los electrolizadores pueden funcionar de manera diferente, sobre todo debido al distinto tipo de material de los electrolitos y a las especies iónicas que conduce. Los principales, considerando tanto su nivel de desarrollo como su disponibilidad comercial, corresponden a los electrolizadores PEM (por su sigla en inglés Proton Exchange Membrane), alcalinos y de óxido sólido.
En un electrolizador PEM, el electrolito es un material plástico sólido especial, en donde el agua reacciona en el ánodo para formar oxígeno e iones de hidrógeno con carga positiva. En el caso de los electrolizadores alcalinos, estos operan mediante el transporte de iones de hidróxido (OH–) a través del electrolito desde el cátodo hasta el ánodo, formándose así el hidrógeno en el lado del cátodo.
Alcalinos
Óxido sólido
PEM
Temperatura operación
70-90ºC
50-80ºC
700-850ºC
Presión operación
1-30 bar
< 70 bar
1 bar
Eficiencia eléctrica
63-70%
56-60%
74-81%
Vida útil (horas operativas)
60.000 – 90.000 horas
30.000 – 90.000 horas
10.000 – 30.000 horas
Carga (% respecto a la carga nominal)
10-110%
0-160%
20-100%
Electrodo / catalizador (lado oxígeno)
Acero inoxidable perforado recubierto de níquel
Óxido de iridio
Estructuras de tipo perovskita (Ej. LSCF, LSM)
Electrodo / catalizador (lado hidrógeno)
Acero inoxidable perforado recubierto de níquel
Nanopartículas de platinio sobre negro de carbón
Níquel / YSZ
Pureza H2
99.9% - 99.9998%
99.9% - 99.9999%
99.9%
Footprint para la instalación de 1 GW de electrolizador
10 – 17 hectáreas
8 – 13 hectáreas
Costo de Inversión (USD/KWe)
500 – 1.400
1.100 – 1.800
2.800 – 5.600
Tamaños stack
MW
MW
5 kW
Fuente: IEA, 2019. The Future of Hydrogen IRENA, 2020. Green Hydrogen Cost Reduction: Scaling up Electrolysers to Meet the 1.5ºC Climate Goal
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