Hidrógeno y otras fuentes de energía alternativas Ingeniería de primera mano

En general, un electrolizador es un equipo que permite separar, descomponer y transformar un material o una molécula (reacción redox) por medio de la energía eléctrica. En un electrolizador de agua, las moléculas de agua (H₂O) se descomponen en moléculas de hidrógeno (H₂) y de oxígeno (O₂).

La reacción concreta se realiza en celdas electroquímicas a tensiones de aproximadamente 1,4 V. Por razones prácticas, varias de estas celdas (conexión eléctrica en serie) se agrupan en pilas. Todos los equipos periféricos que acompañan a las celdas electromecánicas se describen bajo el término "Balance de Planta".

Balance de Planta (Balance of Plant - BOP) es un término que se utiliza generalmente en el ámbito de la tecnología energética. Se refiere a todos los componentes de apoyo y sistemas auxiliares que se necesitan para la conversión de energía, a excepción de la propia unidad de generación o transformación (la pila).

En el caso de los electrolizadores, se incluye la gestión de la energía (transformadores, inversores, controladores de potencia, etc.), la gestión de fluidos y gases (acondicionamiento del agua, separación de las fases fluida y gaseosa, secado del gas, compresión del gas) y la gestión térmica (sistemas de refrigeración para la electrónica de potencia, las pilas y el secado por condensación).

Una pila de combustible está formada por dos electrodos: el ánodo (lado del hidrógeno) y el cátodo (lado del aire). Los dos electrodos están separados por un electrolito. En la pila de combustible PEM, el electrolito es una membrana semipermeable que solo es permeable a los protones.

El hidrógeno se suministra al ánodo. A continuación, el hidrógeno se divide en protones y electrones con la ayuda de un catalizador (normalmente platino). Los protones migran a través de la membrana hacia el cátodo. Los electrones también fluyen hacia el cátodo a través de un consumidor eléctrico al que, de este modo, se suministra energía eléctrica. En el cátodo, los protones y los electrodos se unen al oxígeno del aire circundante para formar agua.

El término "celda electroquímica" engloba distintos tipos de celdas, como celdas electrolíticas, celdas acumuladoras, celdas de batería o celdas galvánicas. A veces, este tipo de celdas pueden actuar de forma reversible, como las celdas acumuladoras. Pueden cargarse y descargarse, lo que significa que son capaces de convertir la energía eléctrica en energía química y volver a liberarla en forma de energía eléctrica. Además, algunos tipos de celdas electrolíticas también pueden funcionar como pilas de combustible. Esto significa que la conversión de hidrógeno y oxígeno en agua genera energía eléctrica y calor.

Las celdas electrolíticas y las pilas de combustible se componen de placas bipolares, electrodos y, dependiendo de la tecnología, capas de difusión de gas (GDL) y membranas. Si se utilizan "membranas de intercambio protónico/aniónico" (PEM / AEM), suelen estar conectadas directamente a los electrodos y se denominan "conjunto de intercambio de membrana" (MEA).

El conjunto de electrodos de membrana (MEA) puede interpretarse de más de una manera. En algunos casos, por MEA se entiende solo la membrana con las capas catalizadoras recubiertas (por un lado para la reacción catódica, por el otro para la reacción anódica). A menudo, sin embargo, el término incluye la(s) capa(s) de difusión de gas, ya que ésta(s) también debe(n) ser conductora(s) de la electricidad.

Dependiendo de la tecnología, la membrana está hecha de diferentes polímeros o cerámicas, cada una de las cuales puede transportar selectivamente protones, aniones (por ejemplo, aniones hidróxido = OH) u oxígeno. Las capas de difusión de gases sirven para transportar los gases producidos (electrólisis) y, en particular, los gases utilizados (pilas de combustible) alejándolos o acercándolos a los lugares de reacción (capas catalizadoras) de la forma más homogénea posible. Dichos gases salen o entran en las celdas electroquímicas a través de los canales de las placas bipolares.

Las placas bipolares que se instalan en una configuración de celdas múltiples o apiladas se encargan sobre todo de la conexión física y eléctrica del ánodo de una celda con el cátodo de la celda vecina. Además, las placas bipolares de las pilas de combustible se encargan de llevar los gases de reacción a la zona de reacción. Para ello, los perfiles de flujo (campos de flujo) se guían o presionan en las placas por ambos lados, a través de los cuales fluye el hidrógeno por un lado y el aire por el otro.

Una placa bipolar consta de los dos polos de una misma pila de combustible: la placa anódica que transporta el hidrógeno (el polo negativo (-)) y la placa catódica (el polo positivo (+)) para alimentar el aire de reacción. Las placas también regulan la evacuación del vapor de agua y la salida de energía térmica y eléctrica. En las celdas electrolíticas, sirven principalmente para refrigerar el electrolizador, para aportar los gases de reacción al lado del ánodo y para extraer el hidrógeno y los gases producidos durante la reacción.

En la tecnología de electrólisis y pilas de combustible, una pila es un conjunto de celdas electroquímicas conectadas en serie, incluyendo también la carcasa, el marco y los elementos de sujeción. La conexión en serie permite aumentar la tensión de alimentación y reduce la corriente eléctrica para el mismo consumo, según la fórmula P=U*I. Independientemente de esto, la conexión en serie de una pila también simplifica el diseño general del sistema.

El hidrógeno gaseoso puede almacenarse en un tanque tras su compresión a alta presión. En el sector del transporte, por ejemplo, se ha establecido un nivel de presión de 350 bar para vehículos comerciales y 700 bar para coches. A 700 bar, la densidad es de aproximadamente 40 kg/m³ (24 kg/m³ a 350 bar). Los depósitos de alta presión ofrecen una solución de bajo coste para pequeñas cantidades de almacenamiento, por lo que se utilizan principalmente en aplicaciones móviles como automóviles y vehículos comerciales.
Actualmente existen cuatro tipos diferentes de recipientes a presión en el mercado:

• Tipo 1: El recipiente a presión consta únicamente de una pared metálica (normalmente de acero). Las presiones nominales son del rango de 200 bar.
• Tipo 2: Además de la pared metálica, los recipientes a presión tienen una camisa de fibra de vidrio o de carbono impregnada de resina que permite una presión nominal de hasta 1.000 bar.
• Tipo 3: Los depósitos tienen un revestimiento de metal (normalmente aluminio) y una camisa de fibra de carbono alrededor de todo el depósito. Las presiones nominales suelen ser de 350 o 700 bar.
• Tipo 4: Los depósitos tienen una camisa de plástico (normalmente de poliamida o polietileno) y el revestimiento suele ser de fibra de carbono, al igual que en los depósitos de tipo 3. Las presiones nominales suelen ser de 350, 500 o 700 bar.

Comparado con el almacenamiento de hidrógeno gaseoso, el hidrógeno líquido como combustible presenta ventajas en términos de la densidad energética (71 kg/m³). La presión en el depósito también puede mantenerse baja. Así, se consigue un efecto positivo en el sistema de depósitos en términos del peso y las necesidades de espacio del depósito, los costes (especialmente en el caso de grandes volúmenes de almacenamiento) y la seguridad.

Sin embargo, los costes de producción del hidrógeno criogénico (-253 °C) no son insignificantes. Además, el hidrógeno se calienta si no se enfría constantemente. Esto provoca un aumento de la presión dentro del depósito. El resultado pueden ser pérdidas por "ebullición" (boil off losses). En otras palabras, el hidrógeno gaseoso se libera al medio ambiente.

Un motor de hidrógeno es un motor de gas que se alimenta de hidrógeno gaseoso en lugar de combustible líquido (como el gasóleo y la gasolina). Existen motores de hidrógeno puro que funcionan únicamente con hidrógeno puro. También existen motores de hidrógeno bicombustible que se impulsan con una mezcla de combustible de hidrógeno y otros gases (como metano y gas natural).

El motor de hidrógeno es una alternativa a la pila de combustible, ya que los motores de combustión existentes pueden ser adaptados con relativamente poco esfuerzo técnico. Sin embargo, los estudios demuestran que la ventaja en costes disminuirá considerablemente con el auge de las pilas de combustible. Además, los motores de hidrógeno luchan contra su rendimiento más bajo, sus mayores requisitos de mantenimiento y la etiqueta de no ser 100% neutros en carbono.

Los "vehículos eléctricos de pila de combustible" (FCEV) funcionan exclusivamente con un motor eléctrico, al igual que los "vehículos eléctricos de batería" (BEV).

A diferencia de los BEV, la energía eléctrica necesaria no la proporciona una gran batería de propulsión (conocida como batería de tracción). En cambio, se obtiene la energía eléctrica convirtiendo la energía química de la fuente de energía alternativa en energía eléctrica, lo que se consigue a través de la pila de combustible.

De momento, las pilas de combustible aún no están diseñadas para soportar los cambios de carga tan rápidos y duraderos como los motores de combustión. Por esta razón, también se instala una (pequeña) batería de tracción que se alimenta cuando la carga del motor es baja y suministra energía adicional cuando la carga es alta. Esto permite que la pila de combustible trabaje con una carga relativamente constante durante la conducción del FCEV.

Las centrales eléctricas de pilas de combustible (FCPP), las centrales combinadas de calor y electricidad (CHP) y las centrales combinadas de calor y electricidad de pilas de combustible (FC-CHPPP) impresionan por su alto nivel de eficiencia global. Dependiendo de la tecnología de pila de combustible empleada, la eficiencia eléctrica se sitúa actualmente en torno al 30-60 %. La eficiencia global puede superar el  95%, ya que la electricidad y el calor se generan directamente en la reacción electromecánica sin ningún otro paso de conversión.

Hasta ahora, las centrales eléctricas de pilas de combustible se han desarrollado principalmente en el rango de potencia de 10 kw a 3 MW. En los años recientes, sin embargo, en el rango de potencia más bajo, el desarrollo ha ido cada vez más en la dirección de las centrales combinadas de calor y electricidad de micro y nanopilas de combustible con una potencia eléctrica de 0,3-1,5 kW y una potencia térmica de 0,6-2,0 kW para viviendas unifamiliares y adosadas. En el rango superior de potencia, ya se han logrado centrales de unos 80 MW, que seguirán aumentando en los próximos años gracias a las construcciones modulares.

Power-to-X (también conocido como PtX o P2X) se refiere al uso de la electricidad sobrante de diversas energías renovables para apoyar todo tipo de tecnologías. Este exceso de energía puede, por ejemplo, almacenarse directamente en baterías (power-to-power), convertirse en calor (power-to-heat) o utilizarse para producir vectores energéticos químicos (power-to-gas, power-to-liquid).

Si el excedente de electricidad se utiliza para producir fuentes de energía químicas, frecuentemente se hace una diferenciación adicional (por ejemplo, electricidad-a-hidrógeno, electricidad-a-gas de síntesis, electricidad-a-amoniaco, electricidad-a-combustible).

El amoníaco (NH3) es un compuesto químico de nitrógeno e hidrógeno, presente en forma gaseosa bajo condiciones normales. Desde que Justus Liebig desarrolló la fertilización nitrogenada (hacia 1840), es uno de los productos químicos básicos más importantes. Pero fue el proceso Haber-Bosch de BASF en Ludwigshafen, hacia 1913, el que permitió un aumento significativo de la producción anual. Hoy en día, el amoníaco es uno de los productos químicos más fabricados (146,5 millones de toneladas en 2021, el 80 % de ellas para fertilizantes) y la base para la producción de todos los demás compuestos nitrogenados.

Teniendo en cuenta el desarrollo de la economía sostenible del hidrógeno, cabe esperar un nuevo aumento de la producción anual de amoníaco. La razón: es más apropiado para el transporte y el almacenamiento que el hidrógeno puro.

Debido a su punto de ebullición bastante alto, -33 °C, es mucho más fácil y económico licuar el amoníaco que el hidrógeno (punto de ebullición -252 °C). El mayor valor energético volumétrico del amoníaco en comparación con el hidrógeno (3,2 kWh/l frente a 2,8 kWh/l) es otro punto muy relevante, especialmente para la logística del transporte.