El hidrógeno es el elemento químico más abundante que existe en el universo pero no se encuentra en estado libre sino que está combinado con otros elementos, por lo que no se trata de un recurso natural, sino de un vector energético. El hidrógeno puede ser producido a partir de una amplia gama de fuentes de energía como el agua, los combustibles fósiles o la biomasa, entre otros, a través de diferentes procesos según sea la materia prima y la fuente energética utilizada. Los principales procesos para obtenerlo son la electrólisis, gasificación, reformado, procesos biológicos o termólisis. Por la diversidad de los recursos a partir de los que se puede producir, la utilización del vector hidrógeno implica mayor seguridad de abastecimiento y mayor acceso a la energía.
A fecha de hoy, los principales usos del hidrógeno se dan en la industria petroquímica y química, en refinerías de petróleo y en la obtención de amoníaco; aunque también se utiliza en la industria metalúrgica, electrónica y aeroespacial. En la actualidad también se está empleando el hidrógeno como combustible en vehículos de pila de combustible así como en aplicaciones estacionarias. Este hidrógeno es obtenido principalmente a partir de recursos fósiles, como por ejemplo mediante el proceso de reformado de gas natural, y en menor medida, mediante el proceso de electrólisis del agua, separando la molécula del agua en hidrógeno y oxígeno mediante una aportación de energía eléctrica.
Todos los procesos de transformación suponen un gasto energético cuyos costes son asumibles (al igual que pasa con la electricidad), pero a diferencia de la electricidad, el hidrógeno se puede almacenar. Por otro lado, la posibilidad de utilizar fuentes de producción autóctonas de origen renovable para obtención de hidrógeno permite eliminar la dependencia energética del exterior. Además, cuando el hidrógeno se produce a partir de fuentes renovables y se usa para la alimentación eléctrica de pilas de combustible se obtienen grandes beneficios medioambientales ya que el único “residuo” generado es vapor de agua, por lo que el impacto ambiental es nulo.
Como es bien sabido, las energías renovables constituyen un recurso indispensable para solucionar parte de los problemas generados por los combustibles fósiles, principalmente los dirigidos a la reducción de gases de efecto invernadero a la atmósfera y a la consecución de una mayor eficiencia energética reduciendo el consumo de energía primaria. Sin embargo, las fluctuaciones en la producción de las energías renovables exige un sistema de almacenamiento energético eléctrico que optimice el aprovechamiento de la energía captada y, al mismo tiempo, introduzca el mínimo de distorsiones para adaptar la curva de generación a la curva de demanda, y asegurando una disponibilidad energética cuando los paneles solares o los aerogeneradores no se encuentren en funcionamiento.
Electrólisis del agua y su integración con renovables
La producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua a partir de energías renovables se presenta como una tecnología clave, capaz de facilitar la integración de estas fuentes y de paliar de forma significativa los inconvenientes que las renovables presentan a día de hoy en su previsión, ofreciendo la posibilidad de almacenar y transportar la energía.
Un electrolizador está compuesto por una serie de celdas electroquímicas (stack de electrólisis) donde tiene lugar la reacción electrolítica, mediante la aplicación de una corriente continua, que provoca la ruptura de la molécula del agua con la consiguiente generación de oxígeno e hidrógeno gaseosos en los correspondientes electrodos de la celda.
Los electrolizadores se consideran clave para el futuro de la energía aunque inicialmente esto podría no tener sentido: si pensamos en convertir electricidad en hidrógeno para usarlo directamente como combustible o bien para transformarlo posteriormente de nuevo en energía, supondría una o dos conversiones energéticas adicionales, lo que disminuiría notablemente el rendimiento global del conjunto. Sin embargo, si la electricidad de partida es un “residuo” al no poder ser utilizada o consumida, como ya sucede con las desconexiones de parques eólicos, estos equipos sí tendrían su sentido y funcionalidad.
Escenario actual
La electrólisis es una tecnología muy madura que se lleva utilizando desde hace más de 200 años. Actualmente existen diferentes tipos de electrolizadores, siendo los de tipo alcalino los sistemas de electrólisis más desarrollados y utilizados en diversos procesos industriales debido a sus altas capacidades de producción de hidrógeno y a las eficiencias de operación que rondan el 60%.
A pesar de ello, la implantación de esta tecnología en su integración con las energías renovables a gran escala debe superar una serie de barreras tecnológicas ya que, actualmente, estos sistemas están diseñados para trabajar en regímenes de potencia continuos orientados a la producción de hidrógeno con fines químicos, siendo necesario conseguir avances en I+D que permitan que estos electrolizadores operen de forma eficiente y segura en entornos de potencia variable, propios de fuentes renovables. Por otro lado, también es necesario reducir el coste de estos sistemas con el fin de que sean competitivos frente a otras tecnologías convencionales para lo que es indispensable el desarrollo de nuevos materiales y componentes, así como los procesos de fabricación. Por último, los equipos que existen en el mercado no son de muy elevada potencia, llegando sólo a unos cientos de kilovatios de consumo y sólo existen equipos cercanos al megavatio de potencia en fase de desarrollo y demostración que forman parte de proyectos demostrativos, por lo que lo ideal sería contar con electrolizadores con potencias del orden de megavatios, de manera que puedan complementar a grandes parques eólicos o plantas fotovoltaicas de este orden de magnitud.
Actualmente, los electrolizadores comerciales que existen no están específicamente diseñados y optimizados para un funcionamiento acoplado a energías renovables y más si nos centramos en el mercado español donde no existe un tejido industrial desarrollado en torno a esta tecnología.
Teniendo en cuenta este escenario, es indiscutible la necesidad, a nivel nacional, de trabajar en el desarrollo de electrolizadores, principalmente de tecnología alcalina de alta potencia y elevada eficiencia, para la producción de hidrógeno a partir de energías renovables con capacidad de operación en condiciones variables de potencia manteniendo o, incluso mejorando si es posible, los rendimientos obtenidos, vida útil de los equipos y pureza de los gases producidos.
El laboratorio del CNH2
En esta línea, desde el Centro Nacional del Hidrógeno (CNH2) se trabaja activamente en el desarrollo e investigación de esta tecnología, tratando de avanzar en aquellos puntos que se consideran claves en su implantación en el mercado.
Para ello, el CNH2 cuenta con un Laboratorio de Electrólisis Alcalina cuyo objetivo es la optimización e impulso de esta tecnología a través del estudio electroquímico, térmico y fluidodinámico para describir el comportamiento de celdas de electrólisis alcalina y su validación experimental, así como la caracterización, experimentación y validación de stacks y sistemas de electrólisis alcalina.
Además, gracias a su integración con otros equipos y líneas de investigación como los del Laboratorio de Caracterización de Materiales o del Laboratorio de Simulación, este laboratorio consigue ampliar sus capacidades tecnológicas permitiendo desarrollar un extenso abanico de actividades que abarcan tanto el diseño y la mejora de celdas de electrólisis mediante el desarrollo de simulaciones que pueden ser validadas a través de ensayos experimentales a nivel de laboratorio, como la caracterización y testeo de stacks y sistemas de electrólisis alcalina a escala industrial enfocados al análisis de su durabilidad y a la optimización de su funcionamiento.
Entre las actividades llevadas a cabo, el CNH2 ha desarrollado un banco de ensayos para la caracterización y experimentación de celdas de electrolisis alcalina hasta una potencia de 15 kW eléctricos y electrolizadores hasta 100 kW conectados a energías renovables. Este banco de ensayos ofrece la capacidad de realizar pruebas para demostrar la fiabilidad y durabilidad de estos sistemas y su funcionalidad bajo unas ciertas condiciones de operación para las que han sido diseñados, analizando la degradación de los mismos ante diversos parámetros críticos del funcionamiento que ayuden a estimar el tiempo de vida útil en aplicaciones reales.
Entre las pruebas llevadas a cabo se encuentran: ensayos de caracterización para determinar el comportamiento general de stacks y sistemas, testeos de larga duración para caracterizar e comportamiento del sistema durante elevados periodos de tiempo (>1000h), ensayos de vida acelerada para potenciar los aspectos críticos que influyen en la degradación del sistema, simulación de perfiles de energías renovables para emular el comportamiento de los stacks frente a perfiles de cargas variables.
En definitiva, las líneas de trabajo expuestas con anterioridad ponen de manifiesto que el Centro Nacional del Hidrógeno como centro de investigación en el sector del hidrógeno yo pilas de combustible, trabaja para impulsar el desarrollo de esta tecnología, dando soporte tanto al sector industrial como al sector del conocimiento, complementando sus actividades de I+D y poniendo herramientas e infraestructuras al servicio de toda la comunidad científica, tecnológica e industrial.
*Gema Rodado es ingeniera en el Centro Nacional del Hidrógeno.
Este artículo también se puede leer en el número 176 de Energías Renovables
