Revisión del estado de la tecnología y perspectivas de implementación de electrolizadores de óxido sólido (SOEC)

Abstract

El aumento de la temperatura global del planeta es una de las consecuencias del cambio climático provocado por las emisiones a la atmósfera de gases de efecto invernadero. Estas emisiones provienen principalmente de los vehículos, la industria y la generación de energía. Se está realizando un esfuerzo conjunto y coordinado por parte de empresas privadas, organismos gubernamentales y entidades de carácter investigativo para frenar y en algún momento revertir esta situación, lo que se traduce en el despliegue de tecnologías y actividades novedosas en estos tres sectores que comienzan por la puesta en marcha de proyectos de investigación y demostración subvencionados. Estas actividades y tecnologías están orientadas a la descarbonización de procesos y a la generación de energía sin emisión de carbono y entre ellas se encuentra la producción de hidrógeno generado a partir de energías renovables y electrolizadores. Los electrolizadores son dispositivos capaces de producir hidrógeno a través de la electrólisis del agua, proceso que precisa de energía térmica y eléctrica. El hidrógeno es considerado un vector energético, puesto que se genera a través de calor y electricidad y puede almacenar energía para su posterior reconversión en calor y electricidad, que podría ser la clave para el despliegue masivo de energías renovables. Existen tres grandes tipos de electrolizadores: los de membrana polimérica, PEMEL, los alcalinos, ACEL, y los de óxido sólido, SOEC. Este TFG se centra en el estado de la tecnología de los electrolizadores de óxido sólido y las perspectivas de implementación de estos. Incluye: - una explicación del principio de funcionamiento de la electrólisis y del principio de funcionamiento de los tres tipos de electrolizadores, profundizando más en los SOEC - una comparación entre tecnologías donde cabe recalcar las altas eficiencias que se consiguen con SOEC y la disponibilidad de los materiales que utiliza - limitaciones de los SOEC - investigaciones relevantes para esta tecnología como análisis energéticos y exergéticos de una planta SOEC, modelos electromecánicos de electrolizadores de óxido sólido alimentados con vapor, estudios para la integración de SOEC con varias fuentes renovables, explicación sobre el funcionamiento reversible de células de óxido sólido, explicación de la coelectrólisis como vía para descarbonizar procesos y un proyecto para realizar pruebas de estrés aceleradas en estos dispositivos a fin de entender y controlar sus mecanismos de degradación - proyectos operacionales de demostración que integran SOEC - electrolizadores de óxido sólido disponibles en el mercado - perspectivas de implementación de los SOEC - una conclusión El electrolizador de óxido sólido parece una tecnología prometedora por las siguientes razones: con el aumento de la demanda de hidrógeno se requiere más eficiencia para generarlo, de lo contrario la situación se torna insostenible, permite la coelectrólisis para la generación de gás sintético utiliable en sectores como la industria química y la siderúrgica además de habilitar la descarbonización de los procesos que llevan a cabo. Pueden generar hidrógeno verde a partir de energías renovables y, aunque no es el tema principal de este TFG, la operación reversible de las celdas de óxido sólido permite operar los SOEC como SOFC, es decir, este hidrógeno verde se reconvierte en electricidad. Este modo de operación puede habilitar el despliegue a escala de energías renovables porque permitiría el almacenamiento de energía equilibrando así la curva de producción y demanda.

The increase in the global temperature of the planet is one of the consequences of climate change caused by greenhouse gas emissions into the atmosphere. These emissions come mainly from vehicles, industry and energy generation. A joint and coordinated effort is being made by private companies, government agencies and research entities to curb and eventually reverse this situation, which translates into the deployment of innovative technologies and activities in these three sectors, starting with the implementation of subsidized research and demonstration projects. These activities and technologies are aimed at decarbonizing processes and generating energy without carbon emissions, including the production of hydrogen generated from renewable energies and electrolyzers. Electrolyzers are devices capable of producing hydrogen through the electrolysis of water, a process that requires thermal and electrical energy. Hydrogen is considered an energy vector, since it is generated through heat and electricity and can store energy for later reconversion into heat and electricity, which could be the key to the massive deployment of renewable energies. There are three main types of electrolyzers: polymer membrane electrolyzers, PEMEL, alkaline electrolyzers, ACEL, and solid oxide electrolyzers, SOEC. This TFG focuses on the state of the art of solid oxide electrolyzers and the prospects for their deployment. It includes: - an explanation of the working principle of electrolysis and the working principle of the three types of electrolyzers, with a more in-depth study of SOECs. - a comparison between technologies, highlighting the high efficiencies achieved with SOECs and the availability of the materials used - limitations of SOECs - research relevant to this technology such as energy and exergy analysis of a SOEC plant, electromechanical modeling of steam-fired solid oxide electrolyzers, studies for integration of SOECs with various renewable sources, explanation of the reversible operation of solid oxide cells, explanation of coelectrolysis as a way to decarbonize processes and a project to perform accelerated stress tests on these devices to understand and control their degradation mechanisms. - operational demonstration projects integrating SOECs - commercially available solid oxide electrolyzers - prospects for SOEC implementation - a conclusion The solid oxide electrolyzer seems a promising technology for the following reasons: with the increasing demand for hydrogen, more efficiency is required to generate it, otherwise the situation becomes unsustainable, it allows co-electrolysis for the generation of synthetic gas usable in sectors such as the chemical and steel industries as well as enabling the decarbonization of the processes they carry out. They can generate green hydrogen from renewable energies and, although it is not the main topic of this TFG, the reversible operation of the solid oxide cells allows SOECs to operate as SOFCs, meaning this green hydrogen is converted into electricity. This mode of operation may enable renewable energy deployment at scale because it would allow energy storage thus balancing the production and demand curve.