Balance de Planta (BoP) de un Electrolizador

¿Qué es un BoP? ¿Por qué es importante?

Un balance de planta (Balance of Plant, BoP) de un electrolizador está compuesto por todos los subsistemas necesarios para un correcto funcionamiento de una unidad o proceso principal. Es un concepto habitualmente utilizado en ingeniería de procesos y que por supuesto, tiene su aplicación en el ámbito de la producción de hidrógeno renovable.

La importancia de tener bien definido y diseñado un BoP en una planta de electrólisis viene marcado por varios factores, como la sensibilidad del propio electrolizador a contaminantes en los flujos de entrada, la corriente eléctrica de alimentación o las especificaciones del hidrógeno y el oxígeno producido, de modo que el uso de los equipos sea más seguro para las personas que lo manejan. De nada sirve tener un electrolizador de altas prestaciones si tenemos deficiencias en el diseño de los subsistemas que provocarán una degradación prematura del mismo (principalmente de la membrana) además de no cumplir con las conformidades relativas con las especificaciones del hidrógeno producido. En definitiva, tendrá un impacto en la rentabilidad del proceso y por consiguiente en el precio del hidrógeno obtenido.

Unidades principales y flujos de materia y energía

Si partimos del agua suministrada por la red, ésta deberá desmineralizarse para su utilización tanto en un electrolizador tipo PEM como en uno alcalino. Por lo tanto, ha de incluirse un equipo de desmineralización de agua, siendo los más adecuados los de ósmosis inversa más resinas de cambio iónico. En el caso de los PEM, esta agua ha de tener conductividades inferiores a 5μS/cm. En el caso de un electrolizador   alcalino, los requisitos son algo más laxos, pero ha de desmineralizarse para evitar la formación de precipitados de hidróxidos metálicos, que podrían colmatar los filtros. Es importante conocer el origen de la fuente hídrica que se utilizará en un proyecto de producción de hidrógeno, además de tener los análisis oficiales de la composición mineral, tanto en invierno como en verano, ya que en determinadas zonas con estrés hídrico hay cambios significativos según la estación del año en la que nos encontremos.

El agua purificada alcanza la membrana del stack del electrolizador con la ayuda de un pequeño dispositivo de bombeo. Para hacer la electrólisis que se produce en la membrana del stack es necesario aplicar una corriente continua al electrolizador en unas densidades de corriente de entre 0,5-1 A/cm² de electrodo. Según sea la fuente de electricidad, si viene de red o de generación in-situ solar fotovoltaica o eólica, será necesario considerar transformadores, rectificadores/inversores y demás equipos de potencia para poder satisfacer la demanda de electricidad del electrolizador. Hay que añadir que la mayoría de los equipos admiten rangos de operación del 5 al 90% de la capacidad nominal, por lo que las unidades de gestión de potencia deberán ser capaces de trabajar en esos rangos de corrientes, a los voltajes especificados por los fabricantes de electrolizadores.

En los electrolizadores tipo PEM es necesario recircular el agua de la parte anódica del stack (ver esquema adjunto), que debe estar entre 60 y 80ºC. Hay que recordar que el agua destilada caliente es un medio agresivo y con el tiempo liberará iones metálicos provenientes de las placas bipolares, difusores y de los componentes de acero inoxidable de la línea. Para evitar la acumulación de estos iones en el circuito de recirculación de agua del ánodo, hay que instalar cartuchos o tanques con resina de intercambio catiónico “fuertes”, ya que habrá presencia de iones como el hierro y titanio. Considerar que, según el tamaño de la instalación, existe la posibilidad de regeneración de estos lechos o la posibilidad de sustituir estos cartuchos de resina y su posterior regeneración en una instalación auxiliar o de terceros. Importante destacar que las bombas de recirculación han de ser capaces de bombear flujos mixtos de agua-oxígeno. Por lo tanto, los materiales como las juntas y prensaestopas han de ser compatibles con altas concentraciones de oxígeno. Finalmente, habrá que incluir un demister tras el tanque separador y una válvula de control que regule el caudal de salida de oxígeno. La práctica totalidad de las plantas de electrólisis ventean este oxígeno, pero se ha de tener en cuenta el valor y los usos que tiene este oxígeno.

En el lado del cátodo del stack, además de producirse el hidrógeno, tiene lugar un transporte de agua desde el ánodo al cátodo. Por tanto, este hidrógeno vendrá saturado de vapor y deberá instalarse un separador de agua/gas. Los electrolizadores PEM (y algunos modelos alcalinos) permiten trabajar a una presión autógena de hidrógeno de hasta 20-30 bar, lo que nos permite ahorrar en el compresor. Este hidrógeno, habrá que enfriarlo para eliminar el vapor de agua presente y pasarlo por un conversor autocatalítico o deoxigenador.  Estos sistemas permiten la eliminación de las trazas de oxígeno presentes en el hidrógeno mediante una combustión fría activada por catalizadores. El agua producida se eliminará con resinas de intercambio iónico y sílica u otros desecantes. A continuación, el hidrógeno obtenido pasa por una unidad de secado del gas conocida como Dryer, paso previo al final del proceso con la purificación del hidrógeno obtenido.

El BoP incluye también analizadores para medir la cantidad de oxígeno presente en la corriente de hidrógeno (OTH), y de oxígeno en el hidrógeno producido (HTO), parámetros que habrá que monitorizar según el uso final del hidrógeno (industrial o para movilidad). Y por supuesto, estas instalaciones incluyen los dispositivos de detección de fugas de hidrógeno según el tipo de planta.

Finalmente, el hidrógeno obtenido con la pureza adecuada está listo para ser almacenado y utilizado en la aplicación deseada. La calidad de este hidrógeno está regulada por la Norma ISO 14687-2, referente a los límites de impurezas en el hidrógeno que puedan afectar a la degradación de las pilas de combustible de electrolito poliméricas (PEMFC) para uso, por citar un ejemplo, en vehículos eléctricos de pila de combustible propulsados por hidrógeno (FCEV). Esta norma está además alineada con la nueva norma ISO 19880-8 referida al control de calidad de hidrógeno en estaciones de repostaje de hidrógeno o hidrogeneras (HRS). Otra de las nuevas normas que han surgido a partir de la ISO 14687-2 es la ISO 21087, referida a los métodos analíticos de medición de hidrógeno de uso en vehículos de carretera.

PEM vs Alcalinos

En el mercado coexisten electrolizadores tipo PEM, así como de tecnología alcalina y los de tipo AEM (membrana aniónica). El BoP de un electrolizador alcalino es bastante similar al que hemos detallado para un electrolizador PEM, pero tiene una serie de particularidades que describiremos a continuación.

La principal diferencia entre ambos reside en el tipo de electrolito que se utiliza. Si bien en un electrolizador PEM utiliza agua como electrolito, en un alcalino hay que utilizar una disolución básica de KOH (hidróxido de potasio) o “lejía de potasa” de concentraciones de hasta el 30% a temperaturas de 60ºC. Esto ha de tenerse muy en cuenta a la hora de seleccionar los elastómeros y asientos de válvulas y otros accesorios, para garantizar la operación en un medio tan agresivo como este. Como podemos ver en el esquema, en este caso se debe bombear tanto por el ánodo como por el cátodo la lejía y recircular. Como la producción de hidrógeno y oxígeno irá consumiendo agua, será necesario ir aportando agua purificada a través de una torre de lavado para eliminar la neblina alcalina que se forma, controlando la concentración de KOH en el circuito.

En este caso, será necesario instalar un depósito pulmón y un compresor de baja presión o un soplante para impulsar el hidrógeno a la línea de purificado, donde se eliminará las trazas de oxígeno presentes además de la humedad. (Sólo será necesario si la presión de salida es 10 bar, existen en el mercado electrolizadores alcalinos de 30 bar de presión de salida).

Conclusiones

Con este artículo hemos querido explicar los principales subsistemas que componen el BoP de las principales tecnologías comerciales de electrólisis, destacando todas las operaciones integradas en el equipo. Es habitual que los suministradores de electrolizadores incluyan todos estos subsistemas en sus soluciones llave en mano. Desde SynerHy, atesoramos el conocimiento para la selección de estos equipos, la ingeniería básica y de detalle para el desarrollo de estos proyectos y su integración.