Electrolizadores 101: qué son, cómo funcionan y dónde encajan en una economía ecológica

Electrolizadores Cummins - Imagen Hero

Mientras Cummins mira hacia el futuro, vemos un cambio en el mercado energético. Con ese cambio surgen nuevas posibilidades y oportunidades más allá de nuestro conjunto de productos tradicionales. Para servir mejor a nuestros clientes y a nuestro planeta, Cummins está innovando en formas nuevas y sostenibles de energía y brindando una amplia gama de nuevas posibilidades a la cartera de productos New Power, con lo que proporciona una forma de producir hidrógeno limpio para alimentar pilas de combustible de hidrógeno, suministrar procesos industriales o producir productos químicos ecológicos como fertilizantes, gas natural renovable y metanol.

Cummins ofrece una variedad de tecnologías basadas en hidrógeno, incluidos los sistemas de electrolizadores y recientemente anunció que proporcionará su electrolizador PEM de 5 megavatios para convertir el excedente de energía hidroeléctrica en hidrógeno limpio para Douglas County Public Utility District en el estado de Washington (EE. UU.). Pero, ¿qué es exactamente un electrolizador, cómo funciona y dónde encaja en nuestra economía ecológica?

¿Qué es un electrolizador y cómo funciona?

Electrólisis - ElectrolizadorUn electrolizador es un sistema que usa electricidad para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno en un proceso llamado electrólisis. A través de la electrólisis, el sistema electrolizador crea gas hidrógeno. El oxígeno que queda se libera a la atmósfera o se puede capturar o almacenar para suministrar otros procesos industriales o incluso gases médicos en algunos casos.

El gas de hidrógeno puede almacenarse como gas comprimido o licuado, y dado que el hidrógeno es un portador de energía, se puede usar para alimentar cualquier aplicación eléctrica de pila de combustible de hidrógeno, ya sean trenes, autobuses, camiones o centros de datos.

En su forma más básica, un electrolizador contiene un cátodo (carga negativa), un ánodo (carga positiva) y una membrana. El sistema completo también contiene bombas, ventilaciones, tanques de almacenamiento, una fuente de energía, separador y otros componentes. La electrólisis del agua es una reacción electroquímica que tiene lugar dentro de los conjuntos de pilas. Se aplica electricidad al ánodo y al cátodo a través de la membrana de intercambio de protones (PEM) y hace que el agua (H20) se divida en sus moléculas componentes, hidrógeno (H2) y oxígeno (O2).

¿Existen diferentes tipos de electrolizadores?

Sí, varían en tamaño y función. Estos electrolizadores se pueden escalar para cumplir con una variedad de rangos de entrada y salida, que varían en tamaño desde pequeñas plantas industriales instaladas en contenedores de envío hasta instalaciones de producción centralizada a gran escala que pueden entregar el hidrógeno en camiones o conectarse a tuberías.

Hay tres tipos principales de electrolitos: membrana de intercambio de protones (PEM), alcalina y óxido sólido. Estos diferentes electrolizadores funcionan de formas ligeramente diferentes dependiendo del material electrolítico involucrado. Los electrolizadores tanto alcalinos como PEM pueden suministrar hidrógeno en el lugar y bajo demanda, hidrógeno presurizado sin compresor y 99.999% de hidrógeno puro, seco y libre de carbono.

La diferencia entre los tres tipos principales de electrolizadores incluye:

Electrolizador alcalinoElectrolizadores alcalinos

  • Utiliza una solución líquida de electrolitos como hidróxido de potasio (KOH) o hidróxido de sodio (NAOH) y agua.
  • El hidrógeno se produce en una "pila" que consta de un ánodo, un cátodo y una membrana. Las celdas se ensamblan típicamente en serie en una "pila de combustible" que produce más hidrógeno y oxígeno a medida que aumenta la cantidad de celdas.
  • Cuando se aplica corriente en la pila de celdas, los iones de hidróxido (OH-) se mueven a través del electrolito desde el cátodo al ánodo de cada celda, con burbujas de gas hidrógeno generadas en el lado del cátodo del electrolizador y gas oxígeno en el ánodo, como representado aquí.

 

Membrana de intercambio de protonesElectrolizadores de membrana de intercambio de protones (PEM)

  • Los electrolizadores PEM utilizan una membrana de intercambio de protones que utiliza un electrolito de polímero sólido.
  • Cuando se aplica corriente en la pila de combustible, el agua se divide en hidrógeno y oxígeno y los protones de hidrógeno pasan a través de la membrana para formar gas de H2 en el lado del cátodo.

 

 

 

 

Electrolizador de óxido sólidoElectrolizadores de óxido sólido (SOEC)

  • Utiliza material cerámico sólido como electrolito
  • Los electrones del circuito externo se combinan con agua en el cátodo para formar gas hidrógeno y cargar iones negativamente. El oxígeno luego pasa a través de la membrana de cerámica deslizada y reacciona en el ánodo para formar gas oxígeno y generar electrones para el circuito externo
  • Los SOEC operan a una temperatura mucho más alta (por encima de 500C) que los electrolizadores alcalinos y PEM (hasta 80C) y tienen el potencial de volverse mucho más eficientes que los PEM y los alcalinos.

 

¿Cómo se comercializan los electrolizadores basados en la producción de hidrógeno?

Hay cuatro formas principales en las que se pueden comercializar los electrolizadores:

  1. Energía para la movilidad: el hidrógeno se puede utilizar como combustible en las estaciones de reabastecimiento para vehículos eléctricos de pila de combustible, como autobuses, trenes y automóviles.
  2. Energía para combustible: se puede utilizar en refinerías para eliminar azufre de combustibles fósiles.
  3. Energía para la industria: se puede utilizar directamente como gas industrial en la industria del acero, plantas de vidrio plano, industria de semiconductores, etc. También se puede inyectar directamente en las redes de gas natural para calentar y reducir el carbono y en otras aplicaciones de gas natural.
  4. Energía para gas: se puede utilizar en la producción de productos químicos ecológicos como metanol, fertilizantes (amoniaco) y cualquier otro combustible líquido, ¡incluso combustible para aviones!

Electrolizador - Potencia para la industria

¿Qué tienen de especial las pilas de combustible de hidrógeno?

El hidrógeno producido a partir de un electrolizador es perfecto para su uso con pilas de combustible de hidrógeno. Al funcionar como una batería, las pilas de combustible no se agotan ni necesitan cargarse y producen electricidad y calor siempre que se suministre combustible. Puede obtener más información sobre baterías y pilas de combustible aquí. Las pilas de combustible utilizan el hidrógeno para generar electricidad con cero emisiones en el punto de uso. Eso significa que ningún combustible fósil o emisiones nocivas provienen del tubo de escape.

Aún mejor, cuando el sistema electrolizador funciona con una fuente de energía renovable, como la energía hidroeléctrica de las presas del río Columbia, el hidrógeno producido se considera renovable y no contiene CO2, desde el pozo hasta la rueda. Obtenga más información sobre las emisiones desde su producción al uso en aplicaciones totalmente eléctricas y de pilas de combustible.

¿Por qué el hidrógeno es una opción tan buena para la energía limpia?

El hidrógeno presenta una oportunidad para el cambio de mercado masivo en la industria energética. Los sistemas de energía en todo el mundo están experimentando una transformación fundamental para enfocarse en emisiones más bajas y un impacto menos negativo en el medio ambiente.

Para disminuir los impactos negativos del cambio climático y descarbonizar el sector energético, las tecnologías renovables como la eólica y la solar han surgido como ingredientes clave para brindar una solución. Pero integrar estas fuentes de energía intermitentes en la red de energía puede ser un desafío.

El hidrógeno puede actuar como un medio de almacenamiento de energía para abordar estos desafíos de la red, lo que permite que la energía renovable se utilice más fácilmente fuera de la red de energía eléctrica. El hidrógeno es una forma estable de almacenar y transportar electricidad renovable de manera eficiente durante largos períodos de tiempo. De esa manera, la electricidad renovable generada por la energía eólica y solar que no se está utilizando de inmediato se puede usar en otro momento o en otro lugar. El potencial del hidrógeno para almacenar y transportar energía lo convierte en un posibilitador clave de una transición global a la energía renovable.

¿Qué está haciendo Cummins con los electrolizadores?

Cummins hizo una entrada audaz en la economía del hidrógeno en septiembre 2019 con la adquisición de Hydrogenics, un fabricante global de tecnología de electrolizadores y pilas de combustible de hidrógeno. Cummins continúa avanzando rápidamente en la innovación de nuevos productos y aplicaciones en el espacio del hidrógeno, y en la actualidad, hay dos tipos diferentes de electrolizadores ofrecidos por Cummins:

  1. El electrolizador de membrana electrolítica polimérica (PEM) HyLYZER® utiliza un polímero sólido conductor iónico y es más adecuado para la producción de hidrógeno a gran escala.
  2. El electrolizador alcalino HySTAT® utiliza un electrolito líquido y es adecuado para la producción de hidrógeno a pequeña y mediana escala.

Cummins se enorgullece de liderar la carga de la nueva tecnología de hidrógeno. Con un siglo de experiencia en una multitud de fuentes de energía y trenes motrices, trabajamos con nuestros clientes para brindar la solución adecuada para el cliente adecuado en el momento adecuado. Ya sea con baterías, diesel, gas natural o pilas de combustible, su energía es su elección.
 

Edificio de oficinas de Cummins

Cummins Inc.

Cummins es un líder mundial en energía que diseña, fabrica, vende y ofrece servicios de diésel y motores de combustible alternativo de 2,8 a 95 litros, diésel y grupos electrógenos eléctricos con combustibles alternativos de 2,5 a 3, 500 kW, además de componentes y tecnología relacionados. Cummins atiende a sus clientes a través de su red de 600 instalaciones de distribuidores independientes y propiedad de la compañía y más de 7, 200 centros de distribuidores en más de 190 países y territorios.

La presidenta de New Power de Cummins hace énfasis en la necesidad actual de descarbonizar en el Climate Hub de The New York Times

La presidenta de New Power de Cummins hace énfasis en la necesidad actual de descarbonizar en el Climate Hub de The New York Times

Amy Davis, Vicepresidenta y Presidenta de New Power, pintó una imagen de un sector de transporte descarbonizado con la ayuda de baterías eléctricas y de hidrógeno en el centro climático del New York Times en Glasgow, Escocia, a principios de este mes. Y aunque el debate entre varias soluciones de bajo y cero emisiones de carbono continúa en todo el mundo, instó a los gobiernos y las corporaciones a comenzar a hacer algo ahora, porque el carbono que sacó hoy, mañana y la próxima semana no se puede volver a tomar.

Cummins tiene más de 100 años de antigüedad y hemos estado impulsando todo tipo de aplicaciones comerciales. Una de las cosas que sabemos es que [transporte] es muy diversa, y creemos que no va a tomar una sola solución [para descarbonizarlo] "-Amy Davis, Presidenta de New Power

Paralelamente a la 2021 Conferencia de las Naciones Unidas sobre el cambio climático, COP26, el Climate Hub acogió su programa el foro. Durante más de nueve días, personas de todo el mundo sintonizaron 45 discusiones en vivo, debates y talleres que abordaron la creciente amenaza del cambio climático y qué medidas se pueden tomar para detenerlo.

La presencia de Davis en el foro fue solo uno de los numerosos compromisos e iniciativas que ocurrieron en Glasgow esa semana. El Presidente y CEO de Cummins, Tom Linebarger, también asistió a COP26, reuniéndose con gobiernos, líderes de la industria y medios de comunicación para abogar por el cambio de los combustibles fósiles a soluciones bajas y sin emisiones de carbono y demostrando cómo Cummins será parte de la transición energética.

Durante los días que condujeron a COP26 y al foro, Cummins fue aceptada en dos grupos influyentes que abogaban por la de acción climática.

El consenso a través de las conversaciones fue que es esencial avanzar hacia un mundo libre de carbono, pero ¿es más fácil decirlo que hacerlo? ¿Cómo hacemos que ocurra la descarbonización? ¿A qué se parece la descarbonización?

Durante el panel de transporte y movilidad tiempo y espacio: moviendo personas y bienes en un mundo libre de emisiones de carbono , Davis participó junto a Avinoash Rugoobur, Presidente de llegada; Laura Lane, Directora de asuntos corporativos de UPS; y Peter Vanacker, Presidente y CEO de Neste, todas las compañías de transporte y tecnología que mueven la industria hacia un futuro más limpio y más ecológico.

Vea la discusión completa a continuación como el reportero de clima de New York Times y moderador de panel, Brad Plumer, abre el piso a Davis para discutir por qué Cummins está alcanzando la descarbonización más allá de la mera electrificación, cómo los desafíos de infraestructura han influido en el hidrógeno en la movilidad y cómo los períodos transitorios conducen a la innovación en las soluciones del mercado de repuestos.

Mire el panel completo:

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¿Qué es una pila de combustible?

Las células de combustible son una tecnología clave para liberar nuestro futuro neutral en carbono

Las pilas de combustible no son nuevas. De hecho, la primera referencia a las células de combustible de hidrógeno aparece en 1838 en el número de diciembre de la revista filosófica de Londres y Edimburgo y Journal of Science . Casi 200 años después, el mundo está reconociendo las células de combustible como una tecnología clave para liberar un futuro neutral en cuanto al carbono.

Esto es lo que son, cómo funcionan y dos tipos de células de combustible en las que Cummins está invirtiendo.

¿Qué es una pila de combustible en términos simples?

Al igual que las baterías, las pilas de combustible son convertidores de energía, usan una reacción electroquímica para tomar la energía química almacenada en una fuente de combustible y convertirla en electricidad. A diferencia de las baterías, que contienen un suministro fijo de energía, las pilas de combustible no requieren recarga. Siempre que se suministre combustible continuamente a la célula de combustible, se producirá electricidad, agua y calor.

¿Cómo funciona una célula de combustible?

Una pila de combustible se compone de dos electrodos y una membrana electroelectrolítica. Los electrodos se denominan cátodo y un ánodo, y emparedan la membrana electrolito entre ellos. Dentro de ese sistema, se producen una serie de reacciones químicas para separar los electrones de las moléculas de combustible para crear energía.

El combustible, típicamente hidrógeno, se alimenta en el ánodo de un lado mientras que el oxígeno se alimenta al cátodo por el otro. En el ánodo, las moléculas de combustible de hidrógeno se separan en protones y electrones que viajarán por diferentes caminos hacia el cátodo. Los electrones atraviesan el circuito eléctrico, lo que crea el flujo de electricidad. Los protones viajan a través del electrolito al cátodo. Una vez en el cátodo, las moléculas de oxígeno reaccionan con los electrones y con los protones para crear moléculas de agua.

Una pila de combustible es una fuente de energía limpia con los únicos subproductos que son la electricidad (energía), el calor y el agua. Una sola célula de combustible solo produce unos pocos vatios de energía; por lo tanto, varias pilas de combustible se pueden apilar juntas para crear una pila de pilas de combustible. Cuando se combina en pilas, la salida de las células de combustible puede variar considerablemente, desde unos pocos kilovatios de potencia hasta instalaciones de múltiples megavatios.

¿Qué combustibles se pueden usar en las pilas de combustible?

Las pilas de combustible ofrecen flexibilidad en el tipo de combustible que se puede utilizar. Si bien el hidrógeno es la fuente de combustible más común para las células de combustible (de ahí el nombre común, las células de combustible de hidrógeno), los combustibles ricos en hidrógeno, como el gas natural y el amoníaco, también son fuentes de combustible viables.

hidrógeno: Cuando se fabrica con electricidad renovable, como el solar, el viento y la hidroenergía, el hidrógeno es completamente descarbonizado y produce cero emisiones. Las células de combustible de hidrógeno (es decir, las células de combustible que son alimentadas por hidrógeno) producen energía, calor y agua y liberan dióxido de carbono u otros contaminantes en el aire.

gas natural: A medida que la producción generalizada de hidrógeno verde sigue en curso, el gas natural es actualmente el combustible más usado para alimentar las células de combustible. En este caso, las pilas de combustible no son completamente libres de emisiones, pero sí ofrecen emisiones significativamente más bajas que otros combustibles, como el petróleo y el carbón.

amoníaco: El amoníaco se usa más en la agricultura como fertilizante. Sin embargo, en los últimos años, varias compañías han estado trabajando para desarrollar de amoníaco ecológico. El amoníaco verde está hecho con hidrógeno que proviene de electrólisis de agua alimentada por energía alternativa, lo que lo convierte en otra opción para un combustible con bajo contenido de carbono.

¿En qué tipos de celdas de combustible invierte Cummins?

Hay seis tipos de células de combustible que están en desarrollo, cada una clasificada principalmente por el tipo de electrolito que emplean. Cada tipo de célula de combustible tiene sus propias ventajas, limitaciones y posibles aplicaciones. De los seis, Cummins ha reconocido el potencial en dos tipos de células de combustible: células de combustible de membrana de intercambio de protones y células de combustible de óxido sólido , y ha invertido en el avance de sus tecnologías y su aplicación.

células de combustible de membrana de intercambio de protones (PEM): También conocido como células de combustible de membrana electroelectrolítica de polímero, este tipo de pila de combustible utiliza un electrolito de polímero y funciona a temperaturas más bajas de alrededor de 80 grados centígrados. Las células de combustible PEM son más adecuadas para aplicaciones de energía móvil y de respaldo debido a su densidad de alta potencia y sus capacidades de arranque rápido.

células de combustible de óxido sólido (SOFCs): Los SOFCs usan un compuesto cerámico duro y no poroso como su electrolito y operan a altas temperaturas, hasta 1, 000 grados Celsius. Este tipo de célula de combustible es la más adecuada para aplicaciones estacionarias porque es altamente eficiente y flexible en cuanto a combustible. Además, el calor residual puede ser aprovechado y reutilizado para aumentar la eficiencia general del sistema.

¿Por qué invertir en pilas de combustible?

Ya son líderes en electrolitos PEM que producen hidrógeno verde a través de la electrólisis, estamos trabajando para hacer que el hidrógeno verde esté más disponible para su uso futuro en pilas de combustible. Cummins recibió una subvención del Departamento de energía de los EE. UU. para el avance de SOFCs y ha visto que nuestras células de combustible respaldan con éxito el funcionamiento de los vehículos eléctricos de la batería.

Las células de combustible pueden antepdar el comienzo de Cummins, pero no perdemos tiempo en descubrir cómo hacer avanzar su tecnología para crear un futuro con cero emisiones.

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Cummins Inc. завершила сделку по приобретению производителя топливных элементов компании Hydrogenics.

Приобретение Hydrogenics открывает перед компанией Cummins Inc.  новые возможности в альтернативном энергетическом сегменте топливных элементов и добавляет новые технологии производства водорода в ее существующее продуктовое портфолио.

9 сентября 2019 г. Cummins Inc. объявила о завершении анонсированной ранее сделки по приобретению компании Hydrogenics Corporation, специализирующейся на разработке технологий производства топливных элементов и водорода.

«Мы рады приветствовать сотрудников Hydrogenics в семье Cummins», - сказал Том Лайнбаргер, президент и первое лицо Cummins Inc. «Hydrogenics является одним из ведущих мировых разработчиков технологий производства топливных элементов и водорода, а их знания и инновационный подход откроют перед нами новые возможности в этой области. Эта сделка позволила Cummins сделать еще один шаг в нужном направлении, став очередной инвестицией в производство широкого ассортимента экологически чистых, экономичных и высокопроизводительных продуктов и технологий, которые помогают нашим клиентам повысить эффективность их бизнеса».

Компания Cummins Inc. начала развивать свой потенциал в области производства топливных элементов еще более 20 лет назад, а благодаря приобретению Hydrogenics при поддержке Air Liquide она сможет более эффективно внедрять инновации и распространять технологии водородных топливных элементов на глобальных коммерческих рынках. Владение технологиями производства топливных элементов и генерации водорода методом электролиза позволит компании предлагать клиентам комплексные, индивидуализированные и полностью интегрированные решения «под ключ».

«Компании Air Liquide и Cummins имеют общее понимание в отношении роли водорода как одного и️ ключевых элементов в процессе перехода к альтернативным источникам энергии. В качестве держателя акций и, что более важно, в качестве компании в целом, Air Liquide активно подерживает использование водорода в качестве источника энергии»,-говорит Пьер Этьен франк, главный исполнительный директор la compañía de hidrógeno. «Обе транснациональные компании, являющиеся лидерами в своей отрасли, обладают дополняющими друг друга знаниями в области водородной энергетики. Мы полагаем, что благодаря инвестициям Cummins, технологии Hydrogenics значительно ускорят свое Развитие».

Hydrogenics, штаб-квартира которой по-прежнему будет находиться в г. Миссиссога, Канада, станет частью бизнес-подразделения по электрическим трансмиссиям компании Cummins Inc. Это подразделение Cummins по электрификации, созданное в 2018 году, занимается разработкой и производством электрических и гибридных силовых систем, а также инновационных компонентов и подсистем для обслуживания коммерческих рынков в процессе перехода на электрическую тягу. К настоящему времени это подразделение представляет комплексные электрические силовые решения в семи областях применения и предлагает инновационные продукты клиентам по всему миру, включая Россию.

Стоимость сделки составила приблизительно 290 млн. долларов США. Приобретением Hydrogenics Cummins Inc. подтверждает свою приверженность передовым технологиям, сформулированную в стратегическом видении компании: «разработка инновационных продуктов, которые позволяют нашим клиентам добиваться успеха». На данный момент компания уже обладает широким портфолио различных технологических решений по трансмиссиям, от традиционного дизельного до различных альтернативных, и будет и дальше работать над инновационными предложениями, соответствующими изменяющимся требованиям новой эпохи в эволюции транспорта.

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