Impacto de la calidad del agua en el consumo de energía en la producción de hidrógeno electrolítico PEM

La tecnología de electrólisis por membrana de intercambio de protones (PEM) se ha consolidado como uno de los métodos más populares gracias a su alta eficiencia, alta densidad de corriente, amplia adaptabilidad térmica y rápida respuesta. Si bien la mayor parte de la investigación se centra en la demostración de electrolizadores PEM, el desarrollo de nuevos catalizadores o la mejora de las membranas de intercambio de protones, la optimización del sistema y del agua de alimentación sigue siendo un reto crucial. Por lo tanto, este estudio destaca el impacto de los parámetros de calidad del agua —como el pH, los sólidos disueltos totales (TDS) y la conductividad— en el consumo energético de los electrolizadores PEM para optimizar la producción de hidrógeno. Estos parámetros suelen estar interrelacionados e influyen en el rendimiento de la electrólisis.

El principio de funcionamiento de un Electrolizador PEM Implica la descomposición electroquímica del agua en hidrógeno y oxígeno en los electrodos. Dado que el agua es el principal medio de reacción, su calidad afecta directamente la eficiencia de la electrólisis y el consumo de energía. Los factores clave de la calidad del agua incluyen el pH, los sólidos disueltos totales (TDS) y la conductividad. Por ejemplo, el pH puede alterar el potencial de la reacción de reducción de oxígeno, lo que afecta el consumo de energía, pero los niveles extremos de pH pueden causar la degradación de la membrana. Una baja conductividad puede ayudar a reducir el consumo de energía, pero una conductividad excesivamente alta puede dañar la membrana. Los TDS están relacionados con la conductividad del agua y pueden causar problemas de incrustaciones. La Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM) recomienda utilizar agua desionizada de tipo I (carbono orgánico total) <50 ppb, resistividad >1 MΩ·cm, sodio y cloro <5 µg/L). Sin embargo, las fuentes de agua reales suelen contener impurezas, lo que aumenta los costos de purificación. Los estudios demuestran que no se produce hidrógeno cuando los TDS son cero, mientras que los niveles altos de TDS (0–2000 ppm) contribuyen a aumentar la producción.

1. Impacto del pH en la producción de gas y el consumo de energía

La eficiencia de la electrólisis de agua PEM para la producción de hidrógeno (incluyendo la producción de gas y el consumo de energía) está estrechamente relacionada con el pH del electrolito. El requisito fundamental es que el pH se mantenga dentro del rango óptimo diseñado para el sistema de electrólisis. Una desviación de este rango (demasiado ácido o demasiado alcalino) reducirá significativamente el rendimiento del sistema. Los entornos demasiado ácidos o alcalinos pueden desviar las condiciones óptimas de funcionamiento de los catalizadores, reducir su actividad química o incluso causar daños estructurales, lo que resulta en una menor velocidad de las reacciones de evolución de hidrógeno (HER) y de oxígeno (OER). Además, las condiciones extremas de pH pueden afectar el estado de hidratación y la estabilidad química de la membrana de intercambio de protones (PEM), dificultando el transporte eficiente de H⁺ y causando interrupciones en el suministro de reactivos. Un entorno demasiado ácido puede corroer los electrodos y generar depósitos que cubran los sitios activos, mientras que un entorno demasiado alcalino puede provocar la precipitación de impurezas, lo que no solo aumenta el consumo de energía desperdiciada, sino que también inhibe aún más la generación de gas, lo que resulta en una menor producción de gas.

2. Impacto de los sólidos disueltos totales (TDS) en la producción de gas y el consumo de energía

El TDS se refiere a la concentración total de sustancias inorgánicas y orgánicas disueltas en el agua y es un indicador clave para evaluar la calidad del agua. La producción de gas aumenta con concentraciones más altas de TDS, ya que un nivel alto de TDS puede actuar como catalizador para promover la formación de hidrógeno. Por el contrario, niveles bajos de TDS resultan en una producción limitada de gas, y no se produce hidrógeno cuando el TDS es cero.

Los TDS tienen un impacto significativo en el consumo de energía. Un nivel alto de TDS aumenta la conductividad del agua, pero eleva el voltaje del electrolizador, lo que conlleva un mayor consumo de energía. Simultáneamente, los TDS pueden causar incrustaciones en electrodos o membranas, lo que reduce la eficiencia. Para mitigar estos efectos, se recomiendan tecnologías de tratamiento de agua (como la ósmosis inversa o la desionización) para reducir los TDS y optimizar el consumo de energía.

3. Impacto de la conductividad en la producción de gas

La conductividad es otro parámetro importante que refleja la concentración de iones en el agua. Una conductividad alta puede reducir el sobrepotencial de la reacción de reducción de oxígeno (REA) del ánodo, disminuyendo así la demanda de energía. Sin embargo, una conductividad excesivamente alta aumenta el riesgo de deterioro de la membrana y el consumo de energía de bombeo.

4. Impacto de las diferentes calidades de agua en el consumo de energía

Una comparación de los efectos del agua de mar, el agua de pozo y el agua desionizada en los electrolizadores PEM:

• ​​Agua de mar​​: Las sales y minerales altamente disueltos aumentan la conductividad pero también aumentan la resistencia, lo que requiere un mayor voltaje y genera un mayor consumo de energía.

• ​​Agua de pozo​​: Menos sustancias disueltas generalmente resultan en un menor consumo de energía que el agua de mar, pero la incertidumbre en la composición mineral plantea desafíos.

• ​​Agua desionizada​​: La baja conductividad reduce la resistencia y mejora la eficiencia energética, pero la falta de iones necesarios requiere un uso cauteloso según el diseño del sistema.

5. Importancia de la gestión de la calidad del agua

La electrólisis de agua PEM suele centrarse en el propio electrolizador, pero los sistemas auxiliares (BOP), en particular la gestión del agua de alimentación, son igualmente cruciales. Optimizar los parámetros de calidad del agua (pH, TDS, conductividad) no solo mejora la eficiencia y la producción de gas, sino que también prolonga la vida útil del equipo. Si bien el BOP para sistemas PEM es más sencillo que el de los sistemas alcalinos, controlar la calidad del agua pura sigue siendo un factor clave para lograr un funcionamiento eficiente y estable.