Electrolizadores: la nueva milla tecnológica a superar en la carrera por el hidrógeno verde

Los proyectos de hidrógeno verde están impulsando la demanda de electrolizadores. Los equipos de electrólisis enfrentan desafíos en materia de eficiencia y costos. Empresas como Siemens Energy ya trabajan en la manufactura de electrolizadores PEM a escala industrial.

Por Nicolás Deza

[NOTA: Este artículo fue escrito por Nicolás Deza, periodista del medio EconoJournal, en el marco de la Primera Capacitación para la prensa sobre hidrógeno verde de H2LAC. Esta versión contiene algunas mínimas modificaciones realizadas por el equipo editor de H2LAC.]

No mucho tiempo atrás, la producción de hidrógeno a un precio competitivo parecía ser un objetivo impensable. Pero la dramática reducción en la última década de los costos de manufactura de las energías renovables está cambiando el panorama. En el último año se multiplicaron los anuncios de proyectos y asociaciones público-privadas para producir hidrógeno verde. La reducción del costo de la energía limpia está empujando a varias empresas a incursionar en la producción de hidrógeno a escala industrial. En ese marco, el foco de atención de los desarrolladores comenzó a virar hacia los electrolizadores, el corazón tecnológico de la producción de hidrógeno limpio.

El hidrógeno es un insumo bien conocido en la industria petrolera. Es utilizado principalmente para la refinación de combustibles fósiles, como naftas o gasoil. Más del 90% del hidrógeno que se consume en el mundo es producido por reformado de vapor de agua del gas natural. Pero el proceso es contaminante. Para producir un 1 kg de hidrógeno se necesitan hasta 3,6 kg de gas natural, 6,6 litros de agua y 2,5 kWh de electricidad, dejando como subproducto entre 10 y 12 kg de CO2 que se liberan en la atmósfera contribuyendo al calentamiento global.

Hace décadas que se plantea la posibilidad de producir hidrógeno de manera limpia para utilizarlo como vector energético o insumo en una diversidad de aplicaciones e industrias que hoy utilizan combustibles fósiles. Para lograrlo se plantea la separación del agua de mar (previamente desalinizada) o de río en hidrógeno y oxígeno mediante el proceso de electrólisis. Se trata de un proceso sencillo pero tecnológicamente complejo: a través de unos equipos llamados electrolizadores se utiliza energía eléctrica para separar los átomos de hidrógeno y oxígeno. Precisamente se habla de hidrógeno limpio o “verde” cuando la energía eléctrica utilizada en la electrólisis proviene de energías renovables.

Esa posibilidad está en camino de transformarse en una realidad de escala global en los próximos años. Europa ya está dando pasos concretos en esa dirección. La Unión Europea presentó en 2020 una hoja de ruta para el tránsito hacia un ecosistema energético basado en el hidrógeno. El objetivo es producir un millón de toneladas de hidrógeno verde en 2024 y al menos diez millones para 2030. “Para 2035 queremos que las tecnologías de hidrógeno renovable sean desplegadas a gran escala para alcanzar a todos los sectores difíciles de descarbonizar en nuestra economía”, dijo la presidenta de la Comisión Europea, Ursula von der Leyen. En Suecia, la iniciativa HYBRIT ya está produciendo “acero verde”: utilizan hidrógeno en lugar de coque para reducir el hierro que luego se utiliza en la producción de acero.

Con el impulso de la Unión Europea, la demanda de hidrógeno en general y verde en especial atrae la atención del sector privado. El mercado global del hidrógeno recién comienza a desarrollarse en su faceta comercial: la demanda potencial supera a la oferta. Es un mercado nuevo, con varios desafíos pendientes en la cadena de valor (en transporte y almacenamiento, principalmente), pero en el que varias empresas están buscando introducirse como desarrolladores de proyectos de producción de hidrógeno verde.

Electrolizadores

En ese sentido, comienza a cobrar relevancia la asociación estratégica con los fabricantes de equipos de electrólisis, coloquialmente llamados electrolizadores. Ocurre que los electrolizadores son el corazón tecnológico de las futuras plantas de hidrógeno verde: marcarán qué tan eficiente es el proceso de electrólisis. También constituyen una nueva milla a superar en los esfuerzos por seguir disminuyendo los costos del hidrógeno verde.

La electrólisis no es un proceso para nada nuevo; tiene más de 200 años de historia. Pero los métodos de electrólisis evolucionaron tecnológicamente en tiempos recientes. Existen al menos tres grandes tipos: alcalina, por membrana protónica y SOEC. La electrólisis por membrana protónica, o electrolisis PEM, es el método que mayor interés está generando en los desarrolladores de proyectos de hidrógeno.

Actualmente la producción de hidrógeno por electrolisis se realiza principalmente con sistemas alcalinos. Pero la electrólisis PEM ha avanzado en su desarrollo y despierta interés por su mayor eficiencia en comparación con los sistemas alcalinos. Según datos de la agencia alemana GIZ, la electrólisis PEM tiene entre un 60-75% de eficiencia, en comparación con un 50-70% de eficiencia en la electrólisis alcalina. Como puntos en contra, necesita de agua pura (previamente desalinizada) para evitar la degradación de los electrolizadores y todavía es más cara que la alcalina.

No obstante, la mayor ventaja de la electrólisis PEM es que resulta mucho más flexible para adecuarse a la variabilidad de las energías renovables. “Es adecuada para aplicaciones más flexibles ya que tiene una partida y una parada muy rápida”, explica José Fuster Justiniano, investigador del Programa de Energías Renovables y Eficiencia Energética en Chile, GIZ-4e Chile.

De todas formas, la electrólisis tiene aún mucho camino comercial por recorrer. Actualmente menos del 4% del hidrógeno que se produce en el mundo se obtiene a través de electrólisis. El método de reformado de vapor de gas natural continúa siendo más económico.

Asociaciones con desarrolladores

Con la baja en los costos de las energías renovables variables (eólica y solar), la naciente industria del hidrógeno verde comienza a demandar electrolizadores. Grandes y pequeñas empresas como Siemens Energy, Plug Power, Toshiba, Air Liquide, McPhy Energy, ITM Power, Idroenergy y Next Hydrogen han desarrollado o están trabajando en nuevos equipos con distintos tipos de electrólisis y de diferentes potencias.

En el caso de los electrolizadores PEM, Siemens Energy ya se encuentra proveyendo equipos para distintos proyectos. El más relevante es el proyecto Haru Oni en Chile destinado a la producción de combustibles sintéticos carbono neutrales. La construcción de la planta en Magallanes comenzó en septiembre de 2021 y será inaugurada en 2022.

El proyecto es un ejemplo de las colaboraciones estratégicas entre los desarrolladores de proyectos para producción de hidrógeno verde y los tecnólogos. Highly Innovative Fuels (HIF), una subsidiaria de la empresa chilena Andes Mining & Energy (AME), es el desarrollador principal del proyecto Haru Oni. El tecnólogo del proyecto es la alemana Siemens Energy, que proveerá los electrolizadores y aerogeneradores para la planta.

En Haru Oni, Siemens Energy busca demostrar el trabajo conjunto de un amplio espectro de tecnologías innovadoras en un solo lugar. La planta tomará agua y utilizará un electrolizador Sylezer 200 de Siemens para separarla en oxígeno e hidrógeno. El hidrógeno será luego combinado con CO2 capturado directamente del aire para obtener metanol sintético: es la base de los combustibles climáticamente neutros como el e-diesel, la e-gasolina o el e-kerosene. Los e-combustibles pueden contribuir a reducir significativamente las emisiones en sectores de la economía difíciles de descarbonizar, como lo es el transporte pesado por tierra y mar. Porsche y ExxonMobil serán los principales compradores de los combustibles sintéticos producidos por HIF.

Para abastecer la demanda mundial futura de electrolizadores, Siemens Energy está preparando una planta en Berlin para comenzar con la fabricación a escala industrial de módulos de electrólisis. Allí, las celdas individuales de electrolizadores se fabricarán y combinarán para formar módulos funcionales o «pilas». Dependiendo de la capacidad de electrólisis requerida por el cliente, estos se ensamblarán en unidades más grandes. La producción de las celdas y el ensamble de módulos comenzarán en 2023.

Otro ejemplo de asociación estratégica es el que Fortescue Future Industries (FFI) está desarrollando con la estadounidense Plug Power. FFI es una empresa subsidiaria creada por la minera australiana Fortescue, que busca transformarse en uno de los grandes productores de hidrógeno verde del mundo. La empresa ya firmó un memorando de entendimiento con Argentina para invertir en una planta de hidrógeno verde. También anunció que quiere instalarse en el polo de producción de hidrógeno verde que Brasil impulsa en Ceará, además de contar con otros proyectos en otros países.

Para estas plantas confiará en Plug Power como tecnólogo proveedor de los electrolizadores. Plug Power es una empresa fabricante de celdas de hidrógeno en Estados Unidos. FFI y Plug Power anunciaron en octubre del año pasado que construirán una “mega” planta para la fabricación de electrolizadores en Queensland, Australia. La planta servirá para abastecer a los proyectos de FFI en todo el mundo.

Tanto en el caso de Siemens Energy como de Plug Power, la fabricación de electrolizadores a escala industrial es una de las claves para reducir los costos del hidrógeno verde. La experiencia reciente con la industria eólica es un buen ejemplo de cómo la economía de escala puede contribuir a bajar los costos y acelerar la transición energética.