El hidrógeno se considera un vector energético, capaz de transportar y almacenar energía, para su posterior empleo en una un amplio abanico de aplicaciones, desde la producción eléctrica, al transporte o la industria. El método más común hoy en día para la producción de hidrógeno es el reformado de gas natural, que emplea el metano obtenido de un combustible fósil como el gas natural, liberando dióxido de carbono como subproducto. Este es el llamado hidrógeno gris, cuya producción es contaminante, pero el hidrógeno también puede ser obtenido a partir de la electrólisis del agua utilizando energía renovable, contribuyendo a la transición hacia un sistema energético más limpio y sostenible. Este proceso implica la división de las moléculas de agua en oxígeno e hidrógeno mediante el uso de electricidad generada por fuentes renovables como la solar o la eólica. La producción de hidrógeno verde ofrece una alternativa limpia y libre de emisiones de carbono, en contraste con los métodos tradicionales de producción basados en combustibles fósiles.
Una de las ventajas más significativas del hidrógeno verde es su capacidad para complementar las energías renovables intermitentes, como la tecnología solar fotovoltaica y la eólica, ayudando a mejorar su gestionabilidad. Durante los períodos de alta generación de energía, la electricidad de origen renovable producida en exceso puede ser utilizada para alimentar los electrolizadores, donde se produce la electrólisis del agua para producir hidrógeno, actuando como una forma de almacenamiento de energía. Este hidrógeno puede ser posteriormente utilizado cuando la demanda energética es alta o la generación renovable es baja, lo que contribuye a garantizar un suministro de energía más estable y confiable.
El hidrógeno verde tiene una amplia gama de aplicaciones, pudiéndose utilizar como combustible para vehículos, gracias a las pilas de combustible, ofreciendo una alternativa limpia y eficiente a los motores de combustión interna. Además, el hidrógeno verde puede ser utilizado como materia prima en la producción de productos químicos, contribuyendo a la descarbonización de la industria química y reduciendo su huella ambiental.
La investigación en el campo del hidrógeno verde se centra en reducir los costes asociados a su producción, almacenamiento, transporte y aplicación. Los retos que aborda esta disciplina abarcan desde la mejora de la eficiencia del electrolizador —elemento central del sistema, responsable de la electrólisis—, hasta la optimización del acoplamiento entre el electrolizador y las tecnologías renovables, pasando el desarrollo de sistemas de almacenamiento seguros y eficientes o la implementación de medios de transporte de bajo coste. En lo que respecta al electrolizador, destacan tres tecnologías:
- De membrana de intercambio de protones (PEM), donde se utiliza como electrolito una membrana selectiva que solo permite el paso de protones. Alcanza una elevada eficiencia y tiene una respuesta rápida a variaciones de potencia, lo cual facilita su integración con renovables. Es una tecnología versátil y fácilmente escalable, pudiendo operar a bajas temperaturas y altas presiones. Su mayor inconveniente es la escasez y alto coste de algunos de los materiales empleados, como el platino o el dióxido de cerio.
- De electrólisis alcalina generalmente emplea como electrolito una solución de hidróxido potásico. Es una tecnología muy madura, que ha sido empleada comercialmente durante décadas y es conocida por su simplicidad y fiabilidad, pero es algo menos eficiente, flexible y tiene una mayor inercia, respondiendo peor al régimen transitorio. Además, emplea grandes cantidades de sustancias corrosivas que requieren mantenimiento.
- De óxido sólido (SOEC) operan a temperaturas más elevadas, típicamente entre 700°C y 1000°C y emplean electrolitos sólidos como óxidos de cerio o zirconio, que conducen iones de oxígeno a alta temperatura. Tiene el potencial de lograr eficiencias más altas y aprovechar el calor residual para procesos adicionales, pero todavía está en una etapa de desarrollo y debe demostrar su viabilidad técnica y económica.
En el IES-UPM hemos desarrollado un demostrador de producción de hidrógeno verde basado en un electrolizador PEM, alimentado por un módulo fotovoltaico de silicio y acoplado a través de un inversor híbrido capaz de gestionar la carga de un sistema de almacenamiento electrolítico. Este sistema de producción de hidrógeno verde, mostrado en la Figura 1, cuenta con elementos de caracterización eléctrica en cada una de sus etapas y con un medidor del flujo de hidrógeno generado.
Figura 1. Equipo de producción de hidrógeno verde del IES-UPM. (a) Esquema y (b) fotografía con los principales elementos del sistema.
