Hacia un electrolizador eficiente y competitivo para el almacenamiento de energía procedente de fuentes renovables

El almacenamiento de energía es uno de los principales problemas a los que se enfrentan las energías renovables. El desarrollo de sistemas de almacenamiento eficientes y competitivos en el mercado será la clave que permitirá acabar con la variabilidad en la generación y facilitar la penetración masiva de las renovables al mix eléctrico. El proyecto Smarth2pem se encuentra centrado en este reto con el objetivo de desarrollar un electrolizador PEM más eficiente y duradero a un coste competitivo mediante la mejora de componentes y diseño del mismo.

Dentro de las diferentes tecnologías de almacenamiento de energía que se barajan para su implantación junto con energías renovables se encuentran las tecnologías basadas en hidrógeno. En los últimos años se está hablado mucho de la denominada economía del hidrógeno cuyo término corresponde a un modelo energético en el cual el hidrógeno, obtenido a partir de energías renovables, es empleado como combustible para satisfacer la mayoría de las necesidades energéticas de la sociedad.

Para conseguir implantar esta economía del hidrógeno es necesario superar una serie de impedimentos que hasta la fecha han dificultado su establecimiento, entre los que se podría destacar:

• Optimizar las diferentes tecnologías de obtención de hidrógeno, basadas en energías renovables, para que sean competitivas.
• Desarrollar un sistema de distribución de hidrógeno similar al que existe hoy en día para la gasolina (según indica la Directiva Europea 2014/94, que ha de ser puesta en vigor por los estados miembros con fecha límite el 18 de noviembre de 2016)
• Desarrollar sistemas de almacenamiento de hidrógeno con dimensiones reducidas.

Este modelo energético presenta dos grandes ventajas frente al modelo actual. En primer lugar, su implantación disminuiría la dependencia actual de los combustibles fósiles y, en segundo lugar, se reduciría la contaminación atmosférica y la emisión de gases de efecto invernadero.

En la actualidad, el principal proceso de producción de hidrógeno a nivel mundial es mediante reformado de gas natural con vapor de agua. Esta tecnología produce CO₂ y, debido a que proviene de combustibles fósiles, tiene grandes fluctuaciones de precio. Sin embargo, para llevar a cabo la economía del hidrógeno, sería necesario producir el hidrógeno mediante electrólisis del agua, ya que de esta manera no se incrementaría la huella de carbono y cada país podría producir el hidrógeno que necesitase evitando la actual dependencia energética. La electrólisis del agua juega un papel clave para el despliegue generalizado de hidrógeno en los sectores del almacenamiento de energía, del trasporte o la industria. Es la tecnología más eficiente para producir hidrógeno a partir de fuentes renovables de generación de electricidad.

Sin embargo, a pesar de lo prometedora que es esta tecnología en la actualidad existen diferentes barreras tecnológicas que dificultan su penetración en el mercado tales como bajas eficiencias, tiempo de vida y el coste de la misma. Muchas de estas barreras tecnológicas están asociadas a sus componentes: membrana, electrodos y placas bipolares así como al diseño de prototipos.

Para solventar estas barreras tecnológicas, en la actualidad, se plantean diferentes líneas de investigación centradas en la mejora de los componentes del electrolizador así como en la mejora del diseño para aumentar la presión de trabajo de esta tecnología, en estas líneas se centra el proyecto Smarth2pem.

El proyecto Smarth2pem es un proyecto trianual (2016-2018) que se financia por el Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial (Ivace) y cofinancia por los fondos Feder, dentro del Programa Operativo Feder de la Comunitat Valenciana 2014-2020. Se trata de un proyecto en colaboración, llevado a cabo por el Instituto Tecnológico de la Energía (ITE), el Instituto Tecnológico Metalmecánico, Mueble, Madera, Embalaje y Afines (Adimme) y el Centro Tecnológico del Juguete (AIJU), siendo ITE el coordinador del mismo.

El objetivo principal del proyecto consiste en el desarrollo de un electrolizador PEM de baja potencia (1kW) y coste competitivo, para la generación de hidrógeno de elevada pureza (99,99%) y a elevada presión (>15 Bar). Para ello las estrategias a seguir estarán centradas en dos líneas principales:

• Alternativas para aumentar la durabilidad y reducción del coste de los componentes clave del electrolizador tipo PEM, mejorando además su eficiencia (membranas y electrocatalizador).
• Diseño eficiente de los diferentes componentes desarrollados.

Dicho prototipo se diseña con el objetivo de poder integrarse posteriormente en una smart grid junto energías renovables, para absorber los excesos de producción y permitir la generación de energía en momentos de gran demanda pero escasa producción. Además, el diseño modular permite incrementar la potencia y capacidad de producción de hidrógeno si fuera necesario y permitiendo desarrollar, posteriormente, estaciones de suministro de hidrógeno para recarga de vehículos eléctricos de pila de combustible (según indica la Directiva Europea 2014/94, que ha de ser puesta en vigor por los estados miembros con fecha límite el 18 de Noviembre de 2016).

La novedad que aporta el proyecto Smarth2pem es el desarrollo de un electrolizador tipo PEM de alta presión basado en nuevos componentes (membranas y electrocatalizador) que presenten una elevada durabilidad en las condiciones de trabajo, que den lugar a un mayor rendimiento, durabilidad y un menor coste de esta tecnología y de esta manera impulsar su penetración en el campo de almacenamiento de energía en energías renovables. De igual modo, con este proyecto se pretende diseñar dos modelos de electrolizador, con potencias de 0,5 y de 1 kW, que soporten la operación a elevada presión, así como que garanticen la inexistencia de fugas. Este diseño estará basado en una serie de simulaciones térmicas, estructurales y fluidodinámicas, para optimizar la geometría de los distintos componentes del electrolizador.

Figura 1. Diagrama conceptual del proyecto.

Hasta el momento el trabajo se ha centrado en el diseño y fabricación de los electrodos, en el desarrollo de las membranas poliméricas así como en el diseño y validación de la monocelda que compondrá el stack final. En términos globales se pusieron a punto los métodos de síntesis de componentes, se desarrollaron los primeros componentes (primera generación) y se procedió a la caracterización de los mismos. Asimismo se evaluó el funcionamiento de la monocelda diseñada.

En base a los resultados obtenidos la segunda anualidad ha estado centrada a la optimización de los componentes desarrollados (segunda generación), optimización del desarrollo de MEA (membrane electrode assembly) con los componentes desarrollados y caracterización en monocelda así como la mejora de la primera monocelda desarrollada y a su vez también el diseño del stack.

En la tercera anualidad se pretende obtener la monocelda optimizada con los electrodos y membranas y diseño óptimo. Paralelamente se validará el stack. Una vez alcanzados estos hitos se procederá al escalado de materiales y al desarrollo del stack prototipo con los componentes optimizados. Éste, será el prototipo final que se caracterizará en un entorno relevante de operación.

Figura 2. Componentes electrolizador proyecto Smarth2pem.

El objetivo principal del proyecto consiste en el desarrollo de un electrolizador PEM de baja potencia (1kW) y coste competitivo, para la generación de hidrógeno de elevada pureza (99,99%) y a elevada presión (>15 Bar)