Electrólisis a alta temperatura

La electrólisis de 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 hierro o nanomateriales de carbono , ya que una mayor energía reduce la electricidad necesaria para separar las moléculas y abre la puerta a nuevos electrolitos potencialmente mejores como sales fundidas o hidróxidos. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} A diferencia de la electrólisis a temperatura ambiente, la 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, la HTE se ha convertido en un método alternativo necesario y eficiente mediante el cual se puede preparar hidrógeno a gran escala y utilizarlo como combustible. La visión de la HTE es avanzar hacia la descarbonización ^{[ 7 ] [ 8 ]} en todos los sectores económicos. Los requisitos de materiales para este proceso son: la fuente de calor, los electrodos, el electrolito, la membrana del electrolizador y la fuente de electricidad.

El proceso utiliza energía (en forma de calor) de diversas fuentes para convertir el agua en vapor, que luego se introduce en un sistema electrolítico (compuesto por dos electrodos conectados a la fuente de corriente, un electrolito y una membrana). A altas temperaturas (superiores a 650  °C en la mayoría de las configuraciones), los materiales utilizados para construir las celdas se vuelven conductores. Por lo tanto, comienzan a producirse reacciones electroquímicas y la celda empieza a funcionar una vez que alcanza la temperatura adecuada y se le suministra electricidad ^{[ 9 ]} mientras se alimenta con vapor. El vapor finalmente se descompondrá en hidrógeno (cátodo) y oxígeno (ánodo) ^{[ 10 ]} según las ecuaciones que se muestran a continuación:

${\displaystyle {\ce {En general: 2H2O -> 2H2 + O2}}}$

${\displaystyle {\ce {Cathode: 2H2O ->2H + 2OH^{-}}}}$

${\displaystyle {\ce {Anode: 2OH^{-}-> H2O + (1/2)O2}}}$

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, no se requiere aporte eléctrico porque el agua se descompone en hidrógeno y oxígeno mediante termólisis . Dichas temperaturas no son prácticas; los sistemas HTE propuestos operan entre 100  °C y 850  °C. ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

Si se asume que la electricidad utilizada proviene de un motor térmico , se requieren 141,86 megajulios (MJ) de energía térmica para producir un kg de hidrógeno , tanto para el proceso HTE en sí como para la electricidad requerida. 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 tarea fácil diseñar e implementar un proceso químico a escala industrial que opere a una temperatura tan alta.

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 celdas aseguran 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 electrolítica de óxido sólido es esencial. Una opción que se está investigando para el proceso ^{[ 17 ]} utiliza electrolitos de zirconia estabilizada con itria (YSZ), electrodos de vapor/hidrógeno de cermet de níquel (Ni) y d de óxido de lantano (La ₂ O ₃ ), estroncio y cobalto .

Incluso con HTE, la electrólisis es una forma bastante ineficiente de almacenar energía. Se producen pérdidas de energía significativas tanto en el proceso de electrólisis como en la reconversión del hidrógeno resultante en energía eléctrica.

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

La transferencia de calor resulta interesante como una vía más eficiente para la producción de hidrógeno "verde" , que se utilizaría como combustible neutro en carbono y para el almacenamiento general de energía. Podría ser económicamente viable si se emplearan fuentes de calor no fósiles de bajo coste (energía solar de concentración, nuclear, geotérmica, calor residual) junto con fuentes de electricidad no fósiles (como la solar, la eólica, la oceánica y la nuclear).

Las posibles fuentes de calor barato a alta temperatura para la HTE son todas no químicas, incluyendo reactores nucleares , colectores solares térmicos de concentración y fuentes geotérmicas . La HTE se ha demostrado en laboratorio con una energía de 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 la oportunidad de producir hidrógeno verde a gran escala, ya que tiene el potencial de generar cero emisiones. ^{[ 8 ]} El proceso proporciona una cinética de reacción mejorada para la división de la molécula de agua. ^{[ 20 ]} Parte del requerimiento de electricidad se reemplaza con calor, lo que lo hace un poco más económico 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 lo tanto, está limitada por las presiones de trabajo que se pueden alcanzar razonablemente. ^{[ 21 ]}
2. crear materiales que sean química y físicamente estables en condiciones de oxidación y reducción intensas, así como a altas temperaturas de trabajo. ^{[ 22 ]}
3. estabilidad química y física a bajas conductividades eléctricas, altas temperaturas de trabajo y/o concentraciones iónicas. ^{[ 22 ]}

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 ]}

• Central nuclear Nine Mile Point en Oswego, Nueva York.
• Central nuclear Davis-Besse en Oak Harbor, Ohio.
• Central nuclear de Prairie Island en Red Wing, Minnesota.

Se utilizó electrólisis a alta temperatura con celdas electrolíticas 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 Perseverance de la misión Mars 2020 de la NASA , utilizando dispositivos de electrólisis de zirconia. ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]}

• Oficina de Energía Nuclear
• Electrólisis a alta presión

• Electrólisis a alta temperatura del Departamento de Energía de EE. UU.