En los últimos años ha habido una búsqueda aún más incesante en mejorar el rendimiento de las celdas de electrólisis PEM y Alcalina. Y es que el caballo de batalla para un H2 verde competitivo es sin duda alguna la eficiencia de esta reacción, ya que se trata de un proceso verdaderamente electrointensivo como pocos procesos industriales.

Pero esta búsqueda de eficiencia tiene un límite termodinámico.

Pero ya conocemos la tecnología para alcanzar el límite termodinámico, incluso superarlo, electrólisis de óxido sólido

¿Cómo, es posible superar la barrera física del proceso? La respuesta es sí. Esto está al alcance de la tecnología de hoy, madura y existente, pero los esfuerzos se están centrando en perfeccionar los catalizadores de las celdas alcalinas y PEM, sin percatarse de esto. Usando la tecnologia de electrólisis de óxido sólido, SOEC. Te lo cuento.

Cuál es la barrera termodinámica de la reacción de electrólisis

H2O → H2 + 1/2 O2

Para que la anterior reacción (electrólisis del agua) se de, es preciso aportar una energía equivalente a ~39,40 kWh por cada kg de H2 (en condiciones de 25ºC y 1 atmósfera). La tecnología actual en celdas PEM y Alcalinas pueden rondar una eficiencia respecto a este límite de un ~76%.

La eficiencia actual en celdas SOEC puede rondar un ~89%.

Pero aún así, estas celdas SOEC no superan el 100% como hemos dicho anteriormente, entonces ¿por qué estamos diciendo que actualmente podemos superar los límites de la termodinámica? Porque es una realidad, y más adelante lo vas a comprender.

La reacción de electrólisis necesita ser alimentada de dos cosas: calor y electricidad

Hemos dicho que la electrólisis es un proceso verdaderamente electrointensivo, pero no solo necesita electricidad, también tenemos que darle calor. Matemáticamente se expresa así:

ΔH → ΔG + T × ΔS

Esta expresión matemática es la ecuación de Gibbs-Helmholtz, y nos dice que la energía necesaria para que se produzca la reacción necesita dos componentes: calor (expresado como T × ΔS) y un torrente de electrones (expresado como ΔG).

Esto es importante para entender la ventaja que nos permite superar la barrera de la termodinámica usando la tecnología SOEC, a diferencia de la electrólisis Alcalina y PEM. Vamos a conocer lo más increíble.

Ventaja de la tecnología SOEC frente a tecnología Alcalina y PEM: cómo puede superar la barrera termodinámica

Como hemos dicho anteriormente, la reacción precisa de electricidad y calor. Aquí está lo importante:

La tecnología PEM y Alcalina genera su parte necesaria de calor con las pérdidas eléctricas que se producen en sus celdas. La reacción se hace exotérmica, genera calor como excedente.

Esto quiere decir que además de no permitirnos darle un calor externo, tenemos que invertir energía en refrigerarlos.

¿Qué pasa con la tecnología SOEC? En esta, la reacción ya no se da a unos ~80 °C como la Alcalina y PEM, se da entre 500–700 °C dependiendo de sus materiales. A estas elevadas temperaturas, la termodinámica nos dice que, teniendo que darle prácticamente la misma energía a la reacción, podemos darle menos en forma de electricidad y más en forma de calor. A esto le sumamos que a estas temperaturas, la reacción es endotérmica, tenemos que suministrarle calor, nos lo pide.

Este esquema termodinámico provoca la diferencia de eficiencia de ~76% frente a 89%, y nos deja un regalo aún mayor: podemos pagarle a la reacción, en parte, con calor.

Cómo romper la barrera termodinámica con el SOEC

Una particularidad del SOEC, al trabajar a altas temperaturas, es que no tenemos que aportarle agua líquida como reactivo (como pasa en Alcalina y PEM). Tenemos que aportársela en forma de vapor de agua, el cual aprovecharemos para transportarle el calor necesario.

Con lo que la energía de la reacción se divide en:

• La energía eléctrica necesaria para la reacción.

• La energía necesaria para convertir agua líquida en vapor, tan caliente como necesitemos.

De forma aproximada, y dependiendo de la temperatura a la que esté el agua líquida, si metemos en una olla 1 L de agua, la cerramos y la calentamos, para transformar toda esa agua en vapor a unos 150 °C necesitaremos unos ~6 kWh de energía. Y para esto una caldera eléctrica, al igual que la vitro de casa, tiene un rendimiento del 99,9%.

Aquí está la magia

Existen tecnologías que permiten generar calor con eficiencias superiores al 100%, como son las bombas de calor. Sí, sabes lo que es perfectamente: como el dispositivo de una nevera o aire acondicionado, que tiene eficiencias superiores al 100%.

Ejemplo: imagina una bomba de calor con un COP de 4, es decir, por cada 1 kWh de electricidad que le aportemos, es capaz de producir 4 kWh en forma de calor, brutal.

Pues produzcamos nuestro vapor para el SOEC con este dispositivo…

¡¡ El resultado es pasar a tener una eficiencia del ~89% al 100,56% !!

Y esto aprovechando la tecnología actual, madura y probada, sin ingentes investigaciones en nuevos materiales y catalizadores, y sus correspondientes estudios de degradación y viabilidad.

Sí: SOEC + Bombas de Calor nos acerca más a un H2 verde competitivo

Y a nuestro favor, tenemos que decir que estamos hablando del caso de uso más desfavorable para el SOEC, es decir, cuando en la zona de su instalación no hay vapor disponble en excedente de un proceso industrial. Imagina si aplicamos esto en conjunto a una planta de síntesis de amoníaco, donde el reactor que es exotérmico tiene unos vapores como excedente que suelen usarse para mover una turbina y generar electricidad... Si se los dieramos a un SOEC...

Entonces, ¿por qué nadie está usando esto?

Lo cierto es que pocas ingenierías y equipos en general conocen la tecnología SOEC, lo que pasa con muchos desarrolladores de proyectos. Muchos, por falta de tiempo y recursos, solo pueden limitarse a repetir lo que oyen.

Muchos de los proyectos actuales a punto de madurar y ser finalmente construidos, han tenido sus inicios cuando la fuerza comercial del mercado solo estaba en manos de las grandes compañías de electrólisis (principalmente Alcalina y también PEM). Lo que no ha permitido una curva de aprendizaje sobre SOEC a los desarrolladores e ingenierías.

¿Se logrará revertir esto?