Electrolizadores 101: qué son, cómo funcionan y dónde encajan en una economía ecológica
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?
Un 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:
Electrolizadores 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.
Electrolizadores 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.
Electrolizadores 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:
- 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.
- Energía para combustible: se puede utilizar en refinerías para eliminar azufre de combustibles fósiles.
- 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.
- 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!
¿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:
- 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.
- 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.
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.
