La electrólisis es una opción prometedora para la producción de hidrógeno libre de carbono a partir de recursos renovables y nucleares. La electrólisis es el proceso mediante el cual se utiliza electricidad para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno. Esta reacción se lleva a cabo en un electrolizador. Los electrolizadores pueden variar en tamaño, desde pequeños equipos del tamaño de un electrodoméstico, ideales para la producción distribuida de hidrógeno a pequeña escala, hasta instalaciones de producción centralizadas a gran escala que podrían conectarse directamente a fuentes de energía renovables u otras formas de producción de electricidad sin emisiones de gases de efecto invernadero.
¿Cómo funciona?
Los electrolizadores constan de un ánodo y un cátodo separados por un electrolito. Cada electrolizador funciona de forma distinta, principalmente debido al tipo de electrolito utilizado y a las especies iónicas que conduce.
Electrolizadores de membrana de electrolito polimérico
En un electrolizador de membrana electrolítica de polímero (PEM), el electrolito es un material plástico sólido especial.
El agua reacciona en el ánodo para formar oxígeno e iones de hidrógeno cargados positivamente (protones). Los electrones fluyen a través de un circuito externo y los iones de hidrógeno se mueven selectivamente a través del PEM hacia el cátodo. En el cátodo, los iones de hidrógeno se combinan con electrones del circuito externo para formar hidrógeno gaseoso.
Reacción en el ánodo: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e–
Reacción en el cátodo: 4H+ + 4e– → 2H2
Electrolizadores alcalinos
Los electrolizadores alcalinos funcionan mediante el transporte de iones hidróxido (OH₃ ) a través del electrolito, desde el cátodo hasta el ánodo, generando hidrógeno en el lado catódico. Los electrolizadores que utilizan una solución alcalina líquida de hidróxido de sodio o potasio como electrolito se comercializan desde hace muchos años. Las nuevas tecnologías que utilizan membranas de intercambio alcalino (MEA) sólidas como electrolito resultan prometedoras a escala de laboratorio.
Electrolizadores de óxido sólido
Los electrolizadores de óxido sólido, que utilizan un material cerámico sólido como electrolito que conduce selectivamente iones de oxígeno cargados negativamente (O2- ) a temperaturas elevadas, generan hidrógeno de una manera ligeramente diferente.
El vapor en el cátodo se combina con los electrones del circuito externo para formar gas hidrógeno e iones de oxígeno cargados negativamente. Los iones de oxígeno pasan a través de la membrana cerámica sólida y reaccionan en el ánodo para formar gas oxígeno y generar electrones para el circuito externo.
Los electrolizadores de óxido sólido deben operar a temperaturas suficientemente altas para que las membranas de óxido sólido funcionen correctamente (aproximadamente 700–800 °C, en comparación con los electrolizadores PEM, que operan a 70–90 °C, y los electrolizadores alcalinos comerciales, que suelen operar a menos de 100 °C). Los electrolizadores de óxido sólido avanzados a escala de laboratorio, basados en electrolitos cerámicos conductores de protones, muestran resultados prometedores para reducir la temperatura de operación a 500–600 °C. Los electrolizadores de óxido sólido pueden aprovechar eficazmente el calor disponible a estas temperaturas elevadas (de diversas fuentes, incluida la energía nuclear) para reducir la cantidad de energía eléctrica necesaria para producir hidrógeno a partir del agua.
Potencial de la electrólisis
La electrólisis es una vía viable para la producción de hidrógeno y así lograr el objetivo de Hydrogen Energy Earthshot de reducir el coste del hidrógeno limpio en un 80%, a 1 dólar por kilogramo en una década («1 1 1»). El hidrógeno producido mediante electrólisis puede generar cero emisiones de gases de efecto invernadero, dependiendo de la fuente de electricidad utilizada. La fuente de electricidad necesaria, incluyendo su coste y eficiencia, así como las emisiones derivadas de la generación de electricidad, debe tenerse en cuenta al evaluar los beneficios y la viabilidad económica de la producción de hidrógeno mediante electrólisis. En muchas regiones del país, la red eléctrica actual no es ideal para proporcionar la electricidad necesaria para la electrólisis debido a los gases de efecto invernadero liberados y a la cantidad de combustible requerida debido a la baja eficiencia del proceso de generación de electricidad. La producción de hidrógeno mediante electrólisis se está impulsando para las energías renovables (eólica, solar, hidroeléctrica, geotérmica) y nuclear. Estas vías de producción de hidrógeno generan prácticamente cero emisiones de gases de efecto invernadero y contaminantes de criterio; sin embargo, es necesario reducir significativamente el coste de producción para que sean competitivas con las vías basadas en el carbono más desarrolladas, como el reformado de gas natural.
