El proyecto PEPPER está allanando el camino para la ampliación de la tecnología de electrólisis de vapor de próxima generación.
Aunque la reacción de división del agua parece sencilla, la producción de hidrógeno verde mediante electrólisis sigue siendo un proceso que consume mucha electricidad. En este contexto, las técnicas de electrólisis con vapor a alta temperatura parecen ser las más prometedoras, ya que la mayor parte de la energía necesaria para la división de las moléculas de agua se suministra en forma de calor y no de electricidad. Esto hace que la electrólisis de vapor a alta temperatura sea particularmente ventajosa cuando se puede utilizar calor de bajo costo para generar vapor, como en la recuperación del calor residual de un proceso industrial.
Ventajas de la tecnología de baterías de óxido sólido
Actualmente, el campo de la tecnología de alta temperatura está dominado por las técnicas de electrólisis de óxidos sólidos, que se basan en la capacidad de ciertos óxidos (a menudo a base de circonio) para conducir iones de oxígeno, normalmente a temperaturas superiores a 700 °C. Estas propiedades de transporte de los materiales a base de circonio se conocen desde hace mucho tiempo. A finales del siglo XIX, Walther Nernst aprovechó esta propiedad para utilizar circonio como varilla incandescente en las primeras lámparas incandescentes. Casi 130 años después, esta propiedad, combinada con otras importantes propiedades como buenas propiedades mecánicas y alta estabilidad química, ha convertido a la circona en una de las cerámicas industriales más utilizadas en todo el mundo, con aplicaciones en sectores estratégicos como el sanitario, el energético, el automovilístico, el aeroespacial y el de defensa.
Esta amplia gama de aplicaciones ha permitido el establecimiento de una cadena de suministro industrial para materiales de circonio y definitivamente ha contribuido a mejorar el desarrollo de la tecnología de baterías de óxido sólido (SOC). Dentro del SOC, el vapor se mezcla con hidrógeno. El proceso de electrólisis con vapor (SOEL) consiste en bombear oxígeno de las moléculas de agua en forma de iones a través de un electrolito aportando calor y electricidad. Esto produce una corriente de hidrógeno diluido por vapor sin reaccionar en un lado y una corriente de oxígeno en el otro lado. Debido a las altas temperaturas, esto se produce con una eficiencia sin precedentes en comparación con la electrólisis del agua líquida. Sin embargo, temperaturas de funcionamiento tan altas conllevan muchos desafíos en términos de selección de materiales, durabilidad, equilibrio de los componentes de la planta y costo a escala de la planta de electrólisis.
Posibilidades de las células cerámicas de protones.
En 1981¹ se produjo un gran avance con el descubrimiento de la conducción de protones a alta temperatura en ciertos materiales cerámicos y su aplicación a la electrólisis con vapor. Las cerámicas conductoras de protones identificadas (principalmente óxidos de tipo perovskita que combinan circonio con elementos alcalinotérreos como bario y estroncio) se caracterizan por niveles significativos de conductividad de protones en atmósferas húmedas de hidrógeno, típicamente a temperaturas entre 300°C y 600°C. Esto hace que la tecnología de células cerámicas de protones (PCC) sea especialmente atractiva.
La electrólisis con vapor mediante PCC (PCCEL) consiste en bombear dos átomos de hidrógeno de una molécula de agua. El resultado es una corriente de hidrógeno sin diluir en un lado, pero el oxígeno resultante permanece mezclado con vapor sin reaccionar. En comparación con SOEL, la temperatura de funcionamiento más baja de PCCEL puede afectar ligeramente la eficiencia, pero promete materiales más baratos, menos problemas de degradación y menores costos generales del sistema. Sin embargo, las cerámicas conductoras de protones típicas se caracterizan por fuertes propiedades refractarias y fuertes propiedades alcalinas, lo que las hace más difíciles de formar y menos versátiles que los materiales de circonio utilizados en SOC. Como resultado, debido a los desafíos técnicos de formar y sinterizar PCC, esta tecnología sigue siendo limitada y se estudia principalmente a escala de laboratorio. La ampliación a tamaños industrialmente relevantes se encuentra en una etapa temprana, con reactores prototipo basados en células tubulares que alcanzan potencias de sólo unos pocos kW. Sin embargo, más de 40 años de investigación y desarrollo a escala de laboratorio sobre PCC han demostrado el potencial único para las aplicaciones que permite la conducción de protones, particularmente en la electrosíntesis de moléculas de alto valor agregado como el etileno y el amoníaco.
Actualmente, el desarrollo de la tecnología plana se considera un hito importante para una mayor ampliación e introducción de la tecnología en la industrialización.
Reactor electrolítico plano conductor de protones eficiente y de alto rendimiento: proyecto PEPPER
El proyecto PEPPER asume el desafío de sacar la tecnología PCC del laboratorio y desarrollar una nueva generación de PCCEL de electrólisis de vapor a una escala adecuada para permitir la adopción de la tecnología y su mayor escalado a nivel industrial. El consorcio reúne a importantes socios industriales y de investigación de toda Europa, incluidos DLR (Alemania), AVL (Austria), CEA (Francia), CNRS (Francia), DTU (Dinamarca), EIFER (Alemania), ELCOGEN (Estonia) y Grant Garant (República Checa). Esta colaboración garantiza un enfoque holístico de la investigación y la innovación, enfatizando la aplicabilidad en el mundo real.
Su novedad radica en la combinación de las lecciones aprendidas y los mejores conocimientos del desarrollo de células y pilas SOC planas con un profundo conocimiento de las propiedades de las cerámicas próticas. El objetivo general es avanzar en la tecnología PCC mediante el establecimiento de dos soportes cermet planos robustos con soporte de metal y con soporte de cermet para aplicaciones electrolíticas de alto rendimiento y alta eficiencia a temperaturas de 600 °C, lo que permite un aumento de tamaño comparable a los SOC de última generación.
El objetivo de PEPPER es demostrar células cerámicas de protones planas soportadas tanto en cermet como en metal. Cada celda mide aproximadamente 100 cm² y está integrada en una pila corta de 5 niveles diseñada para operación de electrólisis de vapor. Los tamaños de celda de aproximadamente 100 cm² son compatibles con los productos comercializados más pequeños para aplicaciones industriales.
Utilizando estos primeros reactores electrolíticos planos, nuestro objetivo es obtener información sobre las capacidades de la tecnología PCC a esta escala, comprender las limitaciones de rendimiento, guiar el desarrollo futuro y abordar los desafíos técnicos. A través de un estudio comparativo con SOEL basado en un ciclo de vida integral y una evaluación tecnoeconómica, PEPPER pretende establecer una hoja de ruta tecnológica que permitirá la producción de decenas de módulos de kW con un plazo de entrega de 10 a 15 años y establecerá un camino hacia la comercialización. El proyecto comenzará en enero de 2025 y tendrá una duración de tres años, por lo que se espera que la hoja de ruta se publique a principios de 2028.
Al aumentar la preparación tecnológica desde TRL 2, que desarrolla el concepto, hasta TRL 4, que valida la tecnología en un entorno de laboratorio, PEPPER se prepara para la próxima generación de electrólisis de vapor. La tecnología, que se espera que esté lista alrededor de 2035-2040, podría encontrar aplicaciones más allá de la producción de hidrógeno verde, particularmente en el campo de la electrosíntesis de moléculas de alto valor agregado, contribuyendo a los objetivos de seguridad energética y descarbonización de Europa.
Referencias
Iwahara, H., Escha, T., Uchida, H. y Maeda, N. (1981). Conducción de protones en óxidos sinterizados y su aplicación a la electrólisis de vapor para la producción de hidrógeno, Solid State Ionics, 3/4, págs. 359–433
Descargo de responsabilidad
El proyecto PEPPER está cofinanciado por la Unión Europea (ID 101192341). Sin embargo, los puntos de vista y opiniones expresados son los de los autores únicamente y no reflejan necesariamente los puntos de vista y opiniones de la Unión Europea o de Clean Hydrogen Partnership. Ni la Unión Europea ni las autoridades que otorgan licencias pueden ser responsables de ello.
Tenga en cuenta: Este es un perfil comercial.
Este artículo también se publicará en el número 26 de la revista trimestral.
Source link
