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Electrólisis de alta temperatura

Esquema de electrólisis a alta temperatura.
Descarbonización de la economía a través del hidrógeno producido a partir de HTE

La electrólisis a alta temperatura (también HTE o electrólisis de vapor, o HTSE ) es una tecnología para producir hidrógeno a partir de agua a altas temperaturas u otros productos, como nanomateriales de hierro o carbono , ya que una mayor energía reduce la electricidad necesaria para dividir moléculas y abre nuevas moléculas. electrolitos potencialmente mejores, como sales fundidas o hidróxidos. [1] [2] [3] [4] A diferencia de la electrólisis a temperatura ambiente, HTE opera en rangos de temperatura elevados dependiendo de la capacidad térmica del material. [5] Debido a los efectos perjudiciales de la quema de combustibles fósiles [6] en los seres humanos y el medio ambiente, HTE se ha convertido en un método alternativo y eficiente necesario mediante el cual se puede preparar hidrógeno a gran escala y utilizarlo como combustible. La visión de HTE es avanzar hacia la descarbonización [7] [8] en todos los sectores económicos. Los requisitos materiales para este proceso son: la fuente de calor, los electrodos, el electrolito, la membrana del electrolizador y la fuente de electricidad.


Principio

El proceso utiliza energía (en forma de calor) de fuentes para convertir agua en vapor, que luego pasa a un sistema electrolítico (compuesto por dos electrodos conectados a la fuente de corriente, un electrolito y una membrana). A altas temperaturas (más de 650 °C en la mayoría de las topologías), los materiales utilizados para construir las celdas se vuelven conductores. Por tanto, comienzan a producirse reacciones electroquímicas, y la celda comienza a funcionar una vez que ha alcanzado la temperatura adecuada y se le suministra electricidad [9] mientras se alimenta con vapor. El vapor eventualmente se dividirá en hidrógeno (cátodo) y oxígeno (ánodo) [10] de acuerdo con las siguientes ecuaciones:

Eficiencia

Eficiencias teóricas de desdoblamiento de agua termal. [11]
60% de eficiencia a 1000° C
El reformado con vapor de hidrocarburos a hidrógeno tiene una eficiencia de 70-85% [12]

La electrólisis a alta temperatura es más eficiente económicamente que la electrólisis tradicional a temperatura ambiente porque parte de la energía se suministra en forma de calor, que es más barato que la electricidad, y también porque la reacción de electrólisis es más eficiente a temperaturas más altas. De hecho, a 2500 °C, la entrada eléctrica es innecesaria porque el agua se descompone en hidrógeno y oxígeno mediante termólisis . Estas temperaturas no son prácticas; Los sistemas HTE propuestos funcionan entre 100 °C y 850 °C. [13] [14] [15]

Si se supone que la electricidad utilizada proviene de un motor térmico , se necesitan 141,86 megajulios (MJ) de energía térmica para producir un kg de hidrógeno [ se necesita aclaración ] , para el proceso HTE en sí y para la electricidad necesaria. A 100 °C se requieren 350 MJ de energía térmica (41% de eficiencia). A 850 °C, se requieren 225 MJ (64% de eficiencia). Por encima de 850 °C, se empieza a superar la capacidad de los aceros al cromo estándar para resistir la corrosión, [16] y ya no es fácil diseñar e implementar un proceso químico a escala industrial para operar a un punto de temperatura tan alta.

Materiales

Las celdas de electrólisis de óxido sólido (SOEC) son dispositivos electroquímicos que funcionan a altas temperaturas y se utilizan para la electrólisis a alta temperatura. Los ingredientes de estas células garantizan que el dispositivo funcionará bien tanto física como electroquímicamente a altas temperaturas. [9] Por lo tanto, la selección de materiales para los electrodos y el electrolito en una celda electrolizador de óxido sólido es esencial. Una opción que se está investigando para el proceso [17] utilizó electrolitos de circonio estabilizado con itria (YSZ), electrodos de vapor/hidrógeno de níquel (Ni) -cermet y electrodos de oxígeno de óxido de lantano (La 2 O 3 ), estroncio y cobalto .

Potencial económico

Incluso con HTE, la electrólisis es una forma bastante ineficiente de almacenar energía. Tanto en el proceso de electrólisis como en la conversión del hidrógeno resultante de nuevo en energía se producen importantes pérdidas de energía.

Con los precios actuales de los hidrocarburos, HTE no puede competir con la pirólisis de hidrocarburos como fuente económica de hidrógeno, que produce dióxido de carbono como subproducto.

HTE es interesante como una ruta más eficiente para la producción de hidrógeno "verde" , que se utilizará como combustible neutro en carbono y almacenamiento de energía en general. Puede resultar económico si se pueden utilizar fuentes baratas de calor de combustibles no fósiles (solar de concentración, nuclear, geotérmica, calor residual) junto con fuentes de electricidad de combustibles no fósiles (como la solar, la eólica, la oceánica y la nuclear).

Los posibles suministros de calor barato de alta temperatura para HTE no son químicos, incluidos los reactores nucleares , los colectores solares térmicos de concentración y las fuentes geotérmicas . El HTE se ha demostrado en un laboratorio a 108 kilojulios (eléctricos) por gramo de hidrógeno producido, [18] pero no a escala comercial. [19]

Ventajas y desafíos

Obviamente, la ventaja más notable de HTE es que brinda una oportunidad para preparar hidrógeno verde a gran escala, porque tiene potencial de cero emisiones. [8] El proceso proporciona una cinética de reacción mejorada para la división de la molécula de agua. [20] Parte de la necesidad de electricidad se reemplaza con calor, lo que la hace un poco más barata porque la electricidad es más cara que el calor.

Sin embargo, la tecnología HTE sufrió limitaciones debido a:

  1. Por encima de 100 °C, la electrólisis del agua líquida requiere presurización y, por tanto, está limitada por las presiones de trabajo que pueden alcanzarse razonablemente. [21]
  2. creando materiales que sean química y físicamente estables en condiciones de intensa oxidación y reducción, así como en altas temperaturas de trabajo. [22]
  3. Estabilidad química y física a bajas conductividades eléctricas, altas temperaturas de trabajo y/o concentraciones iónicas. [22]

Alternativas

Se sabe que existen cientos de ciclos termoquímicos que utilizan calor para extraer hidrógeno del agua. Por ejemplo, el ciclo termoquímico azufre-yodo . Dado que el paso de generación de electricidad tiene una eficiencia bastante baja y se elimina, la producción termoquímica podría alcanzar eficiencias más altas que la HTE. Sin embargo, la producción termoquímica a gran escala requerirá avances significativos en materiales que puedan soportar ambientes altamente corrosivos, de alta temperatura y alta presión.

Departamento de Energía de Estados Unidos

La Oficina de Energía Nuclear del DOE tiene proyectos de demostración para probar 3 instalaciones nucleares con electrólisis de alta temperatura en los Estados Unidos en: [23]

Marte ISRU

Se utilizó electrólisis a alta temperatura con celdas electrolizadoras de óxido sólido para producir 5,37 gramos de oxígeno por hora en Marte a partir de dióxido de carbono atmosférico para el experimento Mars Oxygen ISRU en el rover Mars 2020 Perseverance de la NASA , utilizando dispositivos de electrólisis de circonio. [24] [25] [26]

Ver también

Referencias

Notas a pie de página

  1. ^ Hauch, A.; Ebbesen, SD; Jensen, SH; Mogensen, M. (2008). "Electrólisis a alta temperatura altamente eficiente". J. Mater. química . 18 (20): 2331–2340. doi :10.1039/b718822f.
  2. ^ Luz, Estuardo; Wu, Hongjun (22 de diciembre de 2011). "STEP Iron, una química de la formación de hierro sin emisión de CO 2: solubilidad del carbonato fundido y electroquímica de las impurezas del mineral de hierro". La Revista de Química Física C. 115 (50): 25138–25147. doi :10.1021/jp2078715. ISSN  1932-7447.
  3. ^ Luz, Estuardo; Cui, Baochen; Wang, Baohui (1 de septiembre de 2013). "Captura de carbono STEP: la ventaja del bario". Revista de utilización de CO2 . 2 : 58–63. Código Bib : 2013JCOU....2...58L. doi :10.1016/j.jcou.2013.03.006. ISSN  2212-9820.
  4. ^ Ren, Jiawen; Yu, Ao; Peng, Ping; Lefler, Mateo; Li, Fang-Fang; Licht, Stuart (19 de noviembre de 2019). "Avances recientes en el proceso electroquímico solar térmico (STEP) para productos neutros en carbono y nanocarbonos de alto valor". Cuentas de la investigación química . 52 (11): 3177–3187. doi : 10.1021/acs.accounts.9b00405. ISSN  0001-4842. PMID  31697061.
  5. ^ Valderrama, César (2016), "Electrólisis a alta temperatura", en Drioli, Enrico; Giorno, Lidietta (eds.), Enciclopedia de membranas , Berlín, Heidelberg: Springer, págs. 937–939, doi :10.1007/978-3-662-44324-8_2122, ISBN 978-3-662-44324-8, recuperado el 14 de abril de 2024
  6. ^ "Hoja informativa | Impactos climáticos, ambientales y de salud de los combustibles fósiles (2021) | Libros blancos". www.eesi.org . Consultado el 14 de abril de 2024 .
  7. ^ Shiva Kumar, S.; Lim, Hankwon (noviembre de 2022). "Una descripción general de las tecnologías de electrólisis del agua para la producción de hidrógeno verde". Informes Energéticos . 8 : 13793–13813. Código Bib : 2022EnRep...813793S. doi :10.1016/j.egyr.2022.10.127. ISSN  2352-4847.
  8. ^ ab Zainal, Bidattul Syirat; Ker, Pin Jern; Mohamed Hassan; Ong, Hwai Chyuan; Fattah, IMR; Rahman, SM Ashrafur; Nghiem, Long D.; Mahlia, TM Indra (enero de 2024). "Avance reciente y evaluación de tecnologías de producción de hidrógeno verde". Reseñas de energías renovables y sostenibles . 189 : 113941. doi : 10.1016/j.rser.2023.113941. ISSN  1364-0321.
  9. ^ ab Crema, Luigi; Testi, Matteo; Trini, Martina (7 de septiembre de 2021), 5 Electrólisis a alta temperatura: solución eficiente y versátil para múltiples aplicaciones, De Gruyter, págs. 219–268, doi :10.1515/9783110596274-013, ISBN 978-3-11-059627-4, recuperado el 14 de abril de 2024
  10. ^ Mougin, J. (2015), "Producción de hidrógeno mediante electrólisis de vapor a alta temperatura", Compendio de energía del hidrógeno , Elsevier, págs. 225-253, doi :10.1016/b978-1-78242-361-4.00008-x, ISBN 978-1-78242-361-4, recuperado el 14 de abril de 2024
  11. ^ https://inldigitallibrary.inl.gov/sites/sti/sti/4480292.pdf
  12. ^ Kalamaras, Christos M.; Efstathiou, Angelos M. (2013). "Tecnologías de producción de hidrógeno: estado actual y desarrollos futuros". Artículos de conferencias sobre energía . 2013 : 1–9. doi : 10.1155/2013/690627 .
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  14. ^ Hi2h2: electrólisis a alta temperatura utilizando SOEC
  15. ^ Resumen del informe final: WELTEMP (Electrólisis del agua a temperaturas elevadas)
  16. ^ "Acero inoxidable: resistencia a altas temperaturas". azom.com . Materiales AZO. 8 de enero de 2002 . Consultado el 6 de agosto de 2021 . La mayoría de los aceros austeníticos, con contenidos de cromo de al menos el 18%, se pueden utilizar a temperaturas de hasta 870 °C y [grados especializados] incluso superiores.
  17. ^ Kazuya Yamada, Shinichi Makino, Kiyoshi Ono, Kentaro Matsunaga, Masato Yoshino, Takashi Ogawa, Shigeo Kasai, Seiji Fujiwara y Hiroyuki Yamauchi "Electrólisis a alta temperatura para la producción de hidrógeno utilizando una unidad de ensamblaje de células tubulares de electrolitos de óxido sólido", presentado en la reunión anual de AICHE , San Francisco, California, noviembre de 2006. resumen
  18. ^ "Calor de vapor: los investigadores se preparan para una planta de hidrógeno a gran escala" (Presione soltar). Ciencia diaria . 2008-09-19.
  19. ^ "Plan de I+D del hidrógeno nuclear" (PDF) . Departamento de Energía de EE. UU . Marzo de 2004. Archivado desde el original (PDF) el 24 de septiembre de 2013 . Consultado el 9 de mayo de 2008 .
  20. ^ Anciano, Raquel; Cumming, Denis; Mogensen, Mogens Bjerg (2015), "Electrólisis a alta temperatura", Utilización de dióxido de carbono , Elsevier, págs. 183–209, doi :10.1016/b978-0-444-62746-9.00011-6, ISBN 978-0-444-62746-9, recuperado el 14 de abril de 2024
  21. ^ Lohmann-Richters, FP; Renz, S.; Lehnert, W.; Müller, M.; Carmo, M. (01/11/2021). "Revisión: desafíos y oportunidades para aumentar la densidad de corriente en la electrólisis alcalina mediante el aumento de la temperatura de funcionamiento". Revista de la Sociedad Electroquímica . 168 (11): 114501. Código bibliográfico : 2021JElS..168k4501L. doi : 10.1149/1945-7111/ac34cc . ISSN  0013-4651.
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  23. ^ "Tres centrales nucleares se preparan para la producción limpia de hidrógeno".
  24. ^ Wall, Mike (1 de agosto de 2014). "Mars Rover generador de oxígeno para acercar la colonización". Espacio.com . Consultado el 5 de noviembre de 2014 .
  25. ^ PDF del experimento ISRU de oxígeno en Marte (MOXIE). Presentación: Misión e Instrumentos MARS 2020”. 6 de noviembre de 2014.
  26. ^ Potter, Sean (21 de abril de 2021). "El Perseverance Mars Rover de la NASA extrae el primer oxígeno del planeta rojo". NASA . Consultado el 22 de abril de 2021 .