La electrólisis de alta temperatura (también HTE o electrólisis de vapor ) es una tecnología para producir hidrógeno a partir de agua a altas temperaturas. [1]
Eficiencia
La electrólisis a alta temperatura es más eficiente económicamente que la electrólisis tradicional a temperatura ambiente porque parte de la energía se suministra como calor, que es más barata 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 a través de la termólisis . Tales temperaturas no son prácticas; Los sistemas HTE propuestos funcionan entre 100 ° C y 850 ° C. [2] [3] [4]
La mejora de la eficiencia de la electrólisis a alta temperatura se aprecia mejor si se asume que la electricidad utilizada proviene de un motor térmico y luego se considera la cantidad de energía térmica necesaria para producir un kg de hidrógeno (141,86 megajulios), tanto en el proceso HTE en sí como también. en la producción de la electricidad utilizada. A 100 ° C, se requieren 350 megajulios de energía térmica (41% de eficiencia). A 850 ° C, se requieren 225 megajulios (64% de eficiencia).
Materiales
La selección de los materiales para los electrodos y el electrolito en una celda de electrolizador de óxido sólido es esencial. Una opción que se está investigando para el proceso [5] utilizó electrolitos de circonio estabilizado con itrio (YSZ), electrodos de vapor / hidrógeno de níquel- cermet y electrodos de óxido mixto de lantano, estroncio y cobalto de oxígeno.
Potencial económico
Incluso con HTE, la electrólisis es una forma bastante ineficiente de almacenar energía. Se producen pérdidas significativas de conversión de energía tanto en el proceso de electrólisis como en la conversión del hidrógeno resultante en energía.
A los precios actuales de los hidrocarburos, HTE no puede competir con la pirólisis de hidrocarburos como fuente económica de hidrógeno.
El HTE es de interés como una ruta más eficiente para la producción de hidrógeno, que se utilizará como combustible neutro en carbono y almacenamiento de energía en general. Puede resultar económico si se pueden utilizar fuentes de calor de combustibles no fósiles baratos (solar de concentración, nuclear, geotérmica) junto con fuentes de electricidad de combustibles no fósiles (como la solar, eólica, oceánica, nuclear).
Los posibles suministros de calor de alta temperatura barato para HTE son todos no químicos, incluidos los reactores nucleares , los colectores solares térmicos de concentración y las fuentes geotérmicas . La HTE se ha demostrado en un laboratorio a 108 kilojulios (eléctricos) por gramo de hidrógeno producido, [6] pero no a escala comercial. [7]
El mercado de la producción de hidrógeno
Dada una fuente de calor barata y de alta temperatura, son posibles otros métodos de producción de hidrógeno. En particular, consulte el ciclo termoquímico de azufre-yodo . La producción termoquímica podría alcanzar mayores eficiencias que HTE porque no se requiere un motor térmico. Sin embargo, la producción termoquímica a gran escala requerirá avances significativos en materiales que puedan soportar ambientes de alta temperatura, alta presión y altamente corrosivos.
El mercado del hidrógeno es grande (50 millones de toneladas métricas / año en 2004, con un valor de alrededor de $ 135 mil millones / año) y crece aproximadamente un 10% por año (ver economía del hidrógeno ). Este mercado se satisface mediante la pirólisis de hidrocarburos para producir hidrógeno, lo que genera emisiones de CO2. Los dos principales consumidores son las refinerías de petróleo y las plantas de fertilizantes (cada una consume aproximadamente la mitad de toda la producción). Si los automóviles propulsados por hidrógeno se generalizaran, su consumo aumentaría en gran medida la demanda de hidrógeno en una economía de hidrógeno.
Marte ISRU
Se utilizó electrólisis de alta temperatura con celdas de electrolizador 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 Mars 2020 de la NASA , utilizando dispositivos de electrólisis de zirconia. [8] [9] [10]
Referencias
Notas al pie
- ^ Hauch, A .; Ebbesen, SD; Jensen, SH; Mogensen, M. (2008). "Electrólisis de alta temperatura altamente eficiente". J. Mater. Chem . 18 : 2331–2340. doi : 10.1039 / b718822f .Mantenimiento de CS1: utiliza el parámetro de autores ( enlace )
- ^ Badwal, SPS; Giddey S; Munnings C (2012). "Producción de hidrógeno por vías electrolíticas sólidas" . ALAMBRES Energía y Medio Ambiente . 2 (5): 473–487. doi : 10.1002 / wene.50 .
- ^ Hi2h2 - Electrólisis de alta temperatura usando SOEC
- ^ WELTEMP-Electrólisis de agua a temperaturas elevadas
- ^ Kazuya Yamada, Shinichi Makino, Kiyoshi Ono, Kentaro Matsunaga, Masato Yoshino, Takashi Ogawa, Shigeo Kasai, Seiji Fujiwara y Hiroyuki Yamauchi "Electrólisis de alta temperatura para la producción de hidrógeno utilizando la unidad de ensamblaje de células tubulares de electrolitos de óxido sólido", presentada en la reunión anual de AICHE , San Francisco, California, noviembre de 2006. resumen
- ^ "Calor de vapor: los investigadores se preparan para una planta de hidrógeno a gran escala" (Comunicado de prensa). Science Daily . 2008-09-19.
- ^ "Plan de I + D + i del hidrógeno nuclear" (PDF) . Departamento de Energía de EE . UU . Marzo de 2004. Archivado desde el original (PDF) el 22 de junio de 2013 . Consultado el 9 de mayo de 2008 .
- ^ Wall, Mike (1 de agosto de 2014). "Mars Rover generador de oxígeno para acercar la colonización" . Space.com . Consultado el 5 de noviembre de 2014 .
- ^ PDF del experimento ISRU de oxígeno de Marte (MOXIE) . Presentación: Misión e Instrumentos MARS 2020 ". 6 de noviembre de 2014.
- ^ Potter, Sean (21 de abril de 2021). "Perseverancia Mars Rover de la NASA extrae el primer oxígeno del planeta rojo" . NASA . Consultado el 22 de abril de 2021 .