Avanzando en la producción de hidrógeno con electrolizadores PEM

Los electrolizadores de membrana de intercambio protónico (PEM) son dispositivos importantes que producen hidrógeno, especialmente cuando son alimentados por fuentes de energía renovable. Esta tecnología puede jugar un papel clave en los sistemas de energía limpia. Sin embargo, para asegurarnos de que estos sistemas funcionen de manera eficiente, es esencial optimizar su diseño y operación, teniendo en cuenta cómo se degradan con el tiempo a medida que se utilizan.

#La Importancia de la Producción de Hidrógeno

El hidrógeno es un combustible limpio que puede ayudar a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Se puede usar en varias aplicaciones, como el transporte, procesos industriales y calefacción. A medida que el mundo avanza hacia la energía renovable, la producción de hidrógeno necesita volverse rentable y confiable. Aquí es donde entran los electrolizadores PEM. Convierten la electricidad en gas hidrógeno a través de un proceso llamado electrólisis.

#El Desafío de la Degradación

Un gran desafío con los electrolizadores PEM es que su rendimiento disminuye con el tiempo. A medida que estos dispositivos operan, sufren degradación, lo que afecta su eficiencia y duración. Entender y modelar cómo ocurre esta degradación es crucial para desarrollar estrategias efectivas para operar estos sistemas.

#El Modelo Techo-Económico

Desarrollamos un modelo para ayudar a evaluar el diseño y funcionamiento de los electrolizadores PEM. Este modelo integra varios factores clave:

• Una representación física de cómo funciona el electrolizador.
• Balance de masa y energía para rastrear entradas y salidas.
• Datos sobre cómo se degrada el electrolizador según su uso.

El objetivo de este modelo es predecir el tamaño óptimo y operación del electrolizador y el Almacenamiento de Hidrógeno necesario para satisfacer la demanda mientras se minimizan costos.

#Estado Actual de la Tecnología de Electrolizadores

Hasta 2022, había alrededor de 700 megavatios de electrolizadores instalados a nivel mundial, con sistemas PEM constituyendo aproximadamente el 30% de esa capacidad. Aunque los electrolizadores PEM son menos comunes que los sistemas alcalinos, tienen ventajas. Específicamente, pueden operar a densidades de corriente más altas y producir hidrógeno a presiones más altas, lo que los hace más flexibles para diversas aplicaciones.

#Operación Dinámica de Electrolizadores

Un aspecto clave de nuestro modelo es la operación dinámica. Esto se refiere a la capacidad de ajustar la operación del electrolizador en función de las fluctuaciones de precios de electricidad y la disponibilidad de energía renovable. En lugar de hacer funcionar el electrolizador a plena capacidad todo el tiempo, puede ser más rentable operar a niveles más bajos durante períodos de altos precios de electricidad o cuando la energía renovable es escasa.

#Implicaciones de Costo de la Operación Dinámica

El análisis muestra que tener en cuenta los efectos de degradación impacta significativamente el costo nivelado del hidrógeno (LCOH). Por ejemplo, no considerar la degradación podría llevar a un LCOH de $4.56 por kilogramo. Sin embargo, cuando se tiene en cuenta la degradación, esta cifra sube a $6.60 por kilogramo, y la vida útil del sistema disminuye de siete años a solo dos años.

#Proyecciones Futuro

Mirando hacia 2030, se espera que los costos de los electrolizadores disminuyan significativamente, probablemente llevando el LCOH a alrededor de $2.50 por kilogramo. Esto resultará en pilas de electrolizadores más grandes, vidas útiles más largas y menores necesidades de almacenamiento de hidrógeno.

#Consideraciones de Políticas y Mercado

Los responsables de políticas se están enfocando cada vez más en la producción de hidrógeno bajo en carbono para ayudar a abordar las emisiones en sectores que son difíciles de electrificar, como la industria pesada y el transporte. Por ejemplo, los créditos fiscales e incentivos en Estados Unidos buscan promover la producción de hidrógeno bajo en carbono. Esto crea un entorno favorable para proyectos que utilizan electrolizadores alimentados por energía renovable.

#Configuraciones de Proyectos de Electrolizadores

Los proyectos de electrolizadores pueden ser "aislados" o "conectados a la red". Las configuraciones aisladas utilizan energía renovable generada en el sitio, mientras que las conectadas a la red usan una combinación de electricidad de la red y suministro renovable en el sitio. Manejar los costos de manera efectiva implicará operar a menos de plena capacidad, especialmente para lidiar con las variaciones en el suministro de energía renovable y los precios de electricidad.

#Importancia de la Flexibilidad Operativa

Con el aumento de las fuentes de energía renovable en la red eléctrica, la flexibilidad operativa se volverá cada vez más importante. Esta flexibilidad permite que los sistemas de electrolizadores respondan de manera efectiva a cambios en los precios y disponibilidad de energía, lo cual es esencial para hacer que la producción de hidrógeno sea rentable.

#Desafíos en la Operación Dinámica

La operación dinámica trae varios desafíos, incluyendo:

• Gestión del Calor: Los electrolizadores PEM generan calor, que necesita ser gestionado. Estrategias efectivas de gestión del calor son importantes para mantener el rendimiento y prevenir daños.
• Crossover de Hidrógeno: Durante la operación, el hidrógeno puede moverse al lado equivocado de la membrana, lo que lleva a preocupaciones de seguridad y pérdidas de energía.
• Degradación del Sistema: Operar de manera dinámica puede influir en qué tan rápido se degrada el electrolizador. Este impacto es menos entendido pero es crucial para la economía general.

#Brechas en la Investigación

Aunque ha habido mucha investigación sobre sistemas de electrolizadores, hay brechas en la comprensión de cómo la operación dinámica afecta la degradación. Para llenar estas brechas, el modelo desarrollado aquí incluye la degradación basada en el uso del sistema, lo que proporciona predicciones más precisas de su vida útil y costos de reemplazo.

#El Marco del Modelo

El modelo utiliza un marco de optimización dinámica para co-optimizar el diseño y operación del sistema de electrólisis PEM. Incluye:

1. Balances de Masa y Energía: Estos balances rastrean cuánto material y energía está entrando y saliendo del sistema en diferentes condiciones de operación.
2. Cálculos Dinámicos de Densidad de Corriente: El modelo evalúa cómo cambia la densidad de corriente con el tiempo para minimizar tanto los costos como la degradación.
3. Correlación Empírica para la Degradación: La degradación del sistema se modela en función de la densidad de corriente, permitiendo una representación más precisa de cómo disminuye el rendimiento con el tiempo.

#Evaluando Tamaño y Operación Óptimos en Costos

Usando este modelo, podemos evaluar cómo diferentes factores-como precios de electricidad y costos de capital-afectan el tamaño y operación de los electrolizadores PEM. Al analizar sistemáticamente diferentes escenarios, podemos identificar las configuraciones más rentables.

#Resultados y Hallazgos Clave

• Degradación y Impacto en Costos: Cuando se tiene en cuenta la degradación, el modelo predice un aumento significativo en el LCOH. La necesidad de pilas más grandes y reemplazos más frecuentes aumenta los costos considerablemente.
• Proyecciones de Costos Futuras: En 2030, se espera una reducción significativa en los costos de capital, resultando en un LCOH reducido y mejores vidas útiles del sistema.
• Análisis de Sensibilidad: El modelo fue probado bajo diversas condiciones para ver cuán sensibles son los resultados a cambios en precios y tasas de degradación.

#El Papel del Almacenamiento

El almacenamiento de hidrógeno es vital para gestionar la oferta y la demanda. El modelo considera tanto las necesidades de almacenamiento a corto como a largo plazo y cómo estas se relacionan con el diseño general del sistema. Soluciones de almacenamiento adecuadas aseguran que el hidrógeno producido se pueda utilizar de manera efectiva, incluso cuando los precios de energía fluctúan.

#Implementando el Modelo

El proceso iterativo del modelo implica:

1. Determinar el mejor tamaño para el electrolizador y el almacenamiento de hidrógeno.
2. Ejecutar simulaciones para encontrar la estrategia de operación óptima.
3. Evaluar cómo diferentes condiciones afectan los costos generales.

#Limitaciones del Modelo

Aunque el modelo incorpora varios factores cruciales, hay limitaciones.

1. Desafíos del Solucionador Local: El proceso de optimización puede converger en un mínimo local en lugar de la mejor solución posible.
2. Suposición de Tomador de Precios: El modelo asume que la operación no influye en los precios de electricidad, lo que puede no reflejar escenarios del mundo real.
3. Limitaciones de Datos: La precisión de la correlación de degradación está limitada por los datos experimentales disponibles, destacando la necesidad de estudios más completos.

#Direcciones Futuras

La investigación futura debería centrarse en:

• Mejorar la comprensión de los comportamientos de degradación bajo diversas condiciones de operación.
• Desarrollar mejores estrategias de monitoreo y control para la operación dinámica del PEM.
• Explorar la economía de otros sistemas electroquímicos utilizando enfoques de modelado similares.

#Conclusión

La operación dinámica de los electrolizadores PEM representa un camino prometedor hacia una producción de hidrógeno rentable. Al equipar estos sistemas con la capacidad de responder a variaciones en el suministro de energía y precios, podemos mejorar su viabilidad económica en un paisaje energético en transición. El modelo desarrollado proporciona ideas sobre cómo optimizar estas tecnologías, teniendo en cuenta el factor crítico de la degradación. Este trabajo sienta las bases para futuros avances en la producción de hidrógeno y tecnologías relacionadas, apoyando potencialmente los objetivos globales de descarbonización.