Tecnología de producción de hidrógeno de alta eficiencia: celda electrolítica de óxido sólido de alta temperatura

La celda de electrólisis de óxido sólido de alta temperatura (SOEC) es un dispositivo de conversión de energía altamente eficiente, rápido y flexible. Mediante la introducción de diferentes materias primas, puede producir diversos productos, lo que permite el desarrollo de sintetizadores electroquímicos multifuncionales. Puede conectarse a fuentes de energía limpia, como la eólica y la fotovoltaica. Su aplicación más común es la electrolización de vapor para producir hidrógeno. En comparación con las tecnologías convencionales de electrólisis de agua, como la alcalina (ALK) y... Membrana de intercambio de protones La electrólisis PEM (celda de electrólisis por membrana), SOEC, ofrece varias ventajas: mayor eficiencia (hasta un 85%), reversibilidad y la capacidad de aprovechar el calor residual de alta calidad de los productos generados. La celda de electrólisis de óxido sólido (SOEC) convierte la energía eléctrica y térmica en energía química. En principio, la SOEC funciona como el proceso inverso de una celda de combustible de óxido sólido (SOFC). Como se muestra en la Figura 1, la SOEC consta de una densa capa de electrolito en el centro, electrodos porosos a ambos lados y canales de gas en el exterior de los electrodos para suministrar gases reactivos y eliminar gases de producto, lo que permite un transporte y distribución eficientes de gases. Cuando se aplica una tensión de corriente continua (CC) a los electrodos a altas temperaturas (600–900 °C), las moléculas de vapor de agua (H₂O) se dividen en el cátodo en protones (H⁺) e iones de oxígeno (O²⁻). Los iones O²⁻ migran a través de la capa electrolítica de óxido sólido hasta el ánodo, donde liberan electrones (e⁻) y forman moléculas de oxígeno (O₂).

Los electrones se conducen a través de la interconexión hasta el cátodo, donde se combinan con H⁺ para formar moléculas de hidrógeno (H₂). La producción de hidrógeno mediante SOEC, es decir, la producción de hidrógeno mediante celdas de electrólisis de óxido sólido, es un proceso que utiliza la conductividad iónica de las membranas electrolíticas de óxido sólido para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno a altas temperaturas. Estos productos se aplican ampliamente en industrias como acerías, plantas químicas y la aeroespacial. La SOEC también puede integrarse térmicamente con diversos procesos de síntesis química, lo que permite reciclar el dióxido de carbono y el agua capturados en gas natural sintético, gasolina, metanol o amoníaco. En comparación con otras tecnologías de electrólisis de agua, la SOEC ofrece numerosas ventajas, como alta eficiencia, bajo costo, capacidad de coelectrólisis, reversibilidad y su idoneidad para diversos escenarios. Al operar a altas temperaturas (600–900 °C), la SOEC se beneficia de una cinética favorable, lo que resulta en una alta eficiencia de electrólisis. La elevada temperatura de operación reduce el consumo de energía eléctrica, con una eficiencia general del sistema para la producción de hidrógeno que alcanza aproximadamente el 85 %. Esto es aproximadamente 1,5 veces la eficiencia del sistema de electrólisis PEM y el doble de la eficiencia total de electrólisis de agua alcalinaEn cuanto a sus aplicaciones, las condiciones de operación a alta temperatura de la SOEC la hacen altamente compatible con escenarios que generan un alto nivel de calor residual, como plantas químicas de carbón, siderurgia, síntesis de amoníaco y centrales nucleares. La integración del calor residual en la operación de la SOEC puede complementar el consumo de energía eléctrica, mejorando la eficiencia eléctrica y reduciendo los costos operativos. Además, una característica distintiva de la SOEC en comparación con otras tecnologías es su reversibilidad: puede alternar con flexibilidad entre el modo de electrólisis (SOEC) y el modo de pila de combustible (SOFC).

La SOEC puede producir hidrógeno o gas de síntesis para el almacenamiento de energía en modo electrólisis o convertir energía química en electricidad en modo pila de combustible, creando un sistema sinérgico para la producción, el almacenamiento y la generación de hidrógeno ("electricidad-hidrógeno-electricidad"). Esto le otorga un potencial significativo para el almacenamiento de energía renovable y la reducción de picos de la red, contribuyendo a un uso y equilibrio energéticos eficaces. En general, con los continuos avances tecnológicos y la maduración gradual del mercado, se espera que la producción de hidrógeno de la SOEC desempeñe un papel vital en el futuro panorama energético, contribuyendo al logro de los objetivos globales de neutralidad de carbono.