Desarrollo tecnológico para generación de hidrógeno renovable en el INEEL

El Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL) tiene una línea de investigación que está orientada a la generación de hidrógeno mediante la electrólisis del agua, a partir de fuentes renovables de energía. La electrólisis del agua es la descomposición de este último compuesto, en sus elementos básicos, oxígeno e hidrógeno, al pasar corriente eléctrica en una celda electroquímica denominada electrolizador. Cuando esta corriente proviene de fuentes renovables de energía, tenemos un combustible llamado hidrógeno sustentable.

Después de varios años de investigación y desarrollo en generación de hidrógeno, el INEEL cuenta hoy con un electrolizador tipo PEM (Proton Exchange Membrane), el cual utiliza un electrolito sólido de una membrana capaz de intercambiar protones. Este electrolizador preindustrial es de capacidad de 1 kW de potencia nominal, el cual puede generar alrededor de 4 L de hidrógeno por minuto a presión atmosférica. La eficiencia de este dispositivo es de aproximadamente 74%, operando el electrolizador a 70°C a densidad de corriente de 1.1 A/cm². Esto significa la corriente necesaria para un área determinada y con ello, la cantidad de hidrógeno a generar, esto es, a mayor área, mayor corriente y mayor cantidad de hidrógeno generado. Para pruebas de laboratorio, se cuenta con un electrolizador de una sola celda de 9 cm² de área activa, el cual se utiliza básicamente para actividades de investigación (estudio de nuevos catalizadores, nuevas membranas, etc.) que ayudan a mejorar el desempeño de esta tecnología, ver Figura 1.

El stack es el núcleo fundamental de un electrolizador y consiste en el conjunto de electrodos (ánodos y cátodos) y electrolitos, intercalados y apilados en una estructura, en la que tiene lugar la reacción electroquímica de la división de la molécula en sus elementos fundamentales mediante el uso de electricidad.

Por otro lado, en ingeniería eléctrica, el balance de planta (BoP, por sus iniciales en inglés) es un término que se refiere a todos los componentes de soporte y sistemas auxiliares de una planta de generación de electricidad necesarios para entregar la electricidad, además de la unidad generadora en sí.

El stack de electrólisis del INEEL se ha venido operando satisfactoriamente de manera intermitente, sin embargo, recientemente se diseñó y construyó un balance de planta (BoP) que permite operar de manera automática, segura y confiable el stack de electrólisis. Actualmente se tiene probado el funcionamiento correcto del BoP. En un siguiente paso, el INEEL trabaja para operarlo de manera íntegra al stack y realizar diversas pruebas operativas que van desde aquellas controladas o bien, bajo condiciones de operación cercanas a una fuente variable como, por ejemplo, un sistema fotovoltaico. el INEEL ya operó un sistema a escala real de un sistema fotovoltaico, expresamente diseñado para operar con un electrolizador, de tal manera que el punto de máxima potencia coincidiera con la curva de la carga que representa el generador de hidrógeno. Esto implica que las variaciones en la operación de un sistema como el fotovoltaico, sólo disminuyen la cantidad de hidrógeno generado, pero no impactan el desempeño de manera directa al mantenerse el voltaje de salida en un rango conveniente para la electrólisis. En dichas actividades, que datan del 2003, también se buscó minimizar componentes costosos y sólo se empleó una bomba peristáltica para la alimentación de agua, sin ningún acondicionamiento de potencia. Es decir, la alimentación de potencia eléctrica se hizo directamente en corriente directa, mejorando la eficiencia energética, ya que eran los excedentes de energía, los que se utilizaban para generación de hidrógeno, siendo la carga base, la requerida por las oficinas institucionales.

En la Figura 2, se muestra esquemáticamente el diagrama del BoP del stack de electrólisis del INEEL.

Este desarrollo tecnológico ha permitido la formación y capacitación de especialistas, entre ellos estudiantes e investigadores, que han realizado actividades en este proyecto mediante estancias realizadas en el INEEL. Actualmente, se están realizando estudios para escalar el stack de electrólisis a potencias nominales de 2 y 5 kW. Esto, con la finalidad de tener electrolizadores de mayor potencia que puedan interconectarse de manera modular, para generar el hidrógeno requerido en aplicaciones con mayores demandas del combustible.

Se tiene planeado iniciar en este año 2021, un proyecto de investigación y desarrollo para generar hidrógeno con la tecnología de electrólisis alcalina, la cual permitirá hacer uso de metales más abundantes en nuestro planeta y mucho más económicos que los que se emplean como catalizadores en la tecnología de electrólisis PEM (tecnología desarrollada en el INEEL). Para este concepto, se tiene colaboración con la Universidad de Zacatecas y el Tecnológico de Tijuana, quienes sintetizarán nuevos catalizadores tanto para la tecnología PEM como para la alcalina, los cuales serán probados en el INEEL. El objetivo de estas alianzas es que nuestro país pueda contar con catalizadores y otros componentes que puedan ser fabricados en México y llegar a tener así, una tecnología mexicana de generación de hidrógeno.

La generación de un combustible sustentable como el hidrógeno, a través del uso de electrólisis y fuentes renovables de energía, representa garantizar los requerimientos energéticos de nuestra sociedad sin afectar negativamente al ambiente. Aunque hoy se le conoce como hidrógeno verde, el hidrógeno generado a partir de fuentes renovables como el sol, el viento y otras fuentes, acopladas a la electrólisis del agua, cuya materia prima principal se puede encontrar en cualquier parte del mundo, es considerado el combustible substituto del petróleo.

Autores:
José Roberto Flores Hernández, jrflores@ineel.mx
Ulises Cano Castillo, ucano@ineel.mx