Electrolizador

La electrólisis puede sonar, en principio, a un experimento de laboratorio propio de instituto con vasos de precipitados, unos cables y un par de baterías, y no andaremos desencaminados. Pero el impacto de este proceso, que permite descomponer moléculas usando electricidad, en este caso las del agua, es clave para la obtención de hidrógeno verde.

La generación de hidrógeno

El hidrógeno es el elemento más abundante en el universo y, por ello, puede convertirse en el combustible perfecto. Pero no es la única razón: cuando se quema hidrógeno no se produce dióxido de carbono, se produce vapor de agua. De esta manera, su uso permitiría reducir drásticamente las emisiones responsables del efecto invernadero y el calentamiento global.

La dificultad reside en que para obtener hidrógeno hace falta energía eléctrica, y si esta proviene de combustibles fósiles se generarían emisiones. En cambio, la producción del conocido como hidrógeno verde se basa en el uso de energías renovables para alimentar el proceso de electrólisis, mediante el cual se obtiene hidrógeno a partir de agua. La máquina encargada de este proceso se llama electrolizador.

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Qué es un electrolizador y cómo funciona: la electrolisis

Un electrolizador es un dispositivo capaz de separar las moléculas de agua en los átomos de oxigeno e hidrógeno que las componen. Los enlaces entre los dos elementos son muy estables y es necesario aportar energía eléctrica para que esta división se produzca en un proceso denominado electrólisis [PDF] Enlace externo, se abre en ventana nueva.. Contar con electrolizadores eficientes será clave para la penetración del hidrógeno en la industrias y la adopción de las pilas de combustible de hidrógeno.

Uno de los electrolizadores más grandes del mundo se encuentra en Fukushima (Japón), en el mismo lugar donde se produjo el conocido desastre nuclear, simbolizando un cambio de paradigma en la producción de energía ya que se alimenta con paneles solares. Recientemente, en enero de 2021, el electrolizador japonés fue superado con creces por el de Bécancour (Canadá), un dispositivo de membrana polimérica con una producción de 8,2 toneladas diarias.

Cómo funciona un electrolizador

La electrólisis se descubrió por primera vez en el año 1800. Tras la invención de la pila eléctrica por Alessandro Volta ese mismo año, otros químicos probaron a conectar sus polos en un recipiente con agua. Así descubrieron que la corriente fluía por el agua y que en los electrodos aparecían separados el hidrógeno y el oxígeno.

Un electrolizador consiste en un apilamiento de electrodos conductores separados por una membrana a los cuales se aplica un voltaje y una intensidad elevados. Esto provoca una corriente eléctrica en el agua que hace que se descomponga en sus componentes: hidrógeno y oxígeno. El sistema completo también incluye bombas, electrónica de potencia, separador de gases y otros componentes auxiliares, como los tanques de almacenamiento.

El oxígeno generado en paralelo se libera a la atmósfera o puede almacenarse para su uso posterior como gas médico o industrial en algunos casos. El hidrógeno, por su parte, se almacena como gas comprimido o se licúa para su uso en industrias o en pilas de combustible de hidrógeno, que pueden alimentar de electricidad a medios de transporte como trenes, barcos e incluso aviones.

Tipos de electrolizadores

En la actualidad, existen distintos tipos de electrolizadores dependiendo de su tamaño y función. Los más empleados son:

Electrolizador alcalino

Utilizan una solución electrolítica líquida, como hidróxido de potasio o hidróxido de sodio, y agua. El hidrógeno se produce en una celda que consta de un ánodo, un cátodo y una membrana. Las celdas se suelen montar en serie para producir más hidrógeno y oxígeno a la vez. Cuando se aplica corriente a la pila de celdas de electrólisis, los iones de hidróxido se mueven a través del electrolito desde el cátodo hasta el ánodo de cada célula, generándose burbujas de gas de hidrógeno en el lado del cátodo del electrolizador y de gas de oxígeno en el ánodo. Llevan utilizándose más de 100 años y no requieren metales nobles como catalizador; sin embargo, son equipos voluminosos que obtienen hidrógeno de pureza media y que no son muy flexibles en su operación.

Electrolizador de membrana de intercambio de protones (PEM)

Los electrolizadores PEM utilizan una membrana de intercambio de protones y un electrolito polimérico sólido. Cuando se aplica corriente a la pila, el agua se divide en hidrógeno y oxígeno y los protones del hidrógeno pasan a través de la membrana para formar gas de hidrógeno en el lado del cátodo. Son los más populares porque producen hidrógeno de alta pureza y son fáciles de refrigerar. Son los más adecuados para acoplarse a la variabilidad de las energías renovables, son compactos y obtienen un hidrógeno de alta pureza. Por el contrario, son algo más caros al utilizar metales preciosos como catalizadores.

Electrolizador de óxido sólido (SOEC)

Los SOEC funcionan a una temperatura más alta (entre 500 y 850 ºC) y tienen el potencial de ser mucho más eficientes que los PEM y los alcalinos. El proceso se denomina electrolisis de alta temperatura (HTE) o de vapor y utiliza un material cerámico sólido como electrolito. Los electrones del circuito externo se combinan con el agua en el cátodo para formar gas de hidrógeno e iones de carga negativa. El oxígeno pasa entonces a través de la membrana cerámica deslizante y reacciona en el ánodo para formar gas de oxígeno y generar electrones para el circuito externo. Tecnológicamente están menos desarrollados que los anteriores.

Hay otros tipos de electrolizadores que aún no son tan eficaces o rentables como los anteriores, pero que cuentan con mucho potencial de desarrollo. Un ejemplo sería la fotoelectrólisis, que utiliza únicamente luz solar para separar las moléculas de agua sin necesidad de electricidad. Sin embargo, este dispositivo necesita de semiconductores que aún no se han desarrollado lo suficiente.