Arnulfo Oelker Behn
Gerente Técnico Thermal Engineering
aoelker@thermal.cl
Los electrolizadores son equipos utilizados para realizar la electrólisis del agua, es decir, descomponer el agua en oxígeno e hidrógeno ocupando electricidad.
En el presente artículo nos enfocaremos en el electrolizador de Membrana Electrolítica de Polímero (PEM), cuyo corazón es una membrana no conductora de electrones, pero sí de protones (iones H+) que separa el ánodo y el cátodo, previniendo la mezcla de hidrógeno y oxígeno.
Otros componentes importantes del PEM son el ánodo, donde ocurre la reacción de oxidación del agua, para producir oxígeno; y los protones, electrones y el cátodo donde éstos se combinan para generar el hidrógeno.
En los ánodos y cátodos se utilizan catalizadores de platino e iridio para mejorar la eficiencia de las reacciones químicas.
Las ventajas de este tipo de electrolizadores son variadas:
• Alta eficiencia y pureza del H2 (99.99%).
• Rápida respuesta para ajustarse a variaciones en la demanda de energía.
• Alta densidad de corriente, que permite una mayor producción de hidrógeno por unidad de área de la membrana.
• Elevada seguridad al mantener separados los productos gaseosos (hidrógeno y oxígeno), reduciendo de esta forma el riesgo de explosión.
Hidrógeno vs. gases
En la tabla adjunta se comparan las características del H2 con las de combustibles comerciales como el gas licuado de petróleo (GLP) y el gas natural (GN).
A continuación, se especifican algunos "números" referenciales asociados a la operación de un electrolizador tipo PEM:
• Eficiencia conversión energía eléctrica en hidrógeno: 67.1%
• Producción específica de H2 por cada 1 MWe: 222 Nm3
• Presión de H2: 30 bar
• Pureza de H2: 99.9995%
• Impureza O2: < 1 ppmv
• Impureza H2O: < 5 ppmv
• Rango de modulación: 10 a 1
• Consumo de agua: 0.9 l/Nm3 de H2
• Producción de O2: 157.6 Kg/MWe
La producción de 222 Nm3/MWe de H2 equivale a 137.5 Nm3/h de GN y 213.2 l/h de GLP.
Proyecto electrolizador
A modo de ejemplo, se presenta el CAPEX, OPEX y otros indicadores asociados a la implementación de un electrolizador de 2.2 MWe. Para este caso, se ha escogido un electrolizador modelo MC500 del fabricante NEL Hydrogen, cuyos antecedentes generales son:
• Potencia: 2.214 MWe
• H2 : 492 Nm3/h
: 137.5 Nm3/h – equivalente GN
: 213.2 l/h – equivalente GLP
Los consumos de energía eléctrica y agua, además de la producción de H2, serán los detallados más abajo, considerando 8.000 horas de operación por año:
• Producción H2: 3,936,000 Nm3/año
• Producción O2: 2,796,800 Kg/año
• Consumo de EE: 17,712 MWh/año
• Consumo de agua: 3,542 m3/año
La inversión asociada sería de US$ 5.000.000 y los costos de operación los siguientes:
• Energía eléctrica: US$ 797,040.00 - 45 US$/MWe
• Agua: US$ 10,626.00 - 3 US$/m3
• Operación y mantención: US$ 100.000
Solo considerando estos costos y no el financiamiento de la inversión, el costo del H2 será de 0,23 US$/Nm3, equivalente a 22 US$/MMBTU (precio referencial GLP y GNL = 18 US$/MMBTU, en el norte de Chile).
Uso en calderas
La utilización de H2 en calderas, ya sea mezclándolo con GNL o GLP o bien usándolo como combustible único, no es un inconveniente desde el punto de vista técnico. El problema está por el momento en los costos asociados (energía eléctrica) y la inversión.
Lo ideal es considerar la instalación de un electrolizador en la misma planta donde será consumido el H2, evitando de esa manera los costos de compresión, traslado e inversión en estanques de almacenamiento.
El H2 generado sería ocupado directamente en las calderas u hornos.
Lo anterior podría llegar a ser factible en un plazo mediano en el norte de Chile, donde la energía eléctrica tiene un mejor precio, especialmente para las compañías mineras.
Comentarios finales
Respecto a la utilización de hidrógeno en calderas, reemplazando una parte o el total de los combustibles actuales (GNL y GLP), se puede señalar lo siguiente:
• Se requiere una reducción significativa (30%) del costo de la energía eléctrica para obtener un H2 con un costo de 15 US$/MMBTU, de manera de hacer viables estos proyectos.
• La alternativa más razonable para utilizar H2 en calderas y hornos debiera considerar la generación del hidrógeno en el punto de utilización, evitando así gastos de compresión, almacenamiento y transporte.
• La utilización de H2 mezclado con GNL o GLP puede realizarse sin problemas en quemadores convencionales hasta una proporción de 40%, tal como ocurría cuando se utilizaba gas de ciudad antes de la llegada del GN.
• El empleo de 100% de hidrógeno en calderas tampoco es un problema, ya que viene realizándose hace años en nuestras refinerías de petróleo, donde se utiliza "gas de refinería" con un contenido de H2 cercano al 100%.
Artículo publicado en InduAmbiente nº 188 (mayo-junio 2024), páginas 62 a 63.
Hidrógeno para Calderas
Conozca los electrolizadores utilizados para generar H2, los costos asociados y la factibilidad de usarlo en calderas.
