Usos del oxígeno electrolítico

Hoy en día el oxígeno se produce, mayoritariamente, mediante el método de destilación criogénica del aire (ASU). Es decir, el aire se filtra, se comprime y se licua, para luego proceder a la separación de sus distintos componentes (nitrógeno, oxígeno y argón) gracias a sus distintos puntos de ebullición. Otra alternativa son los sistemas basados en PSA (Pressure Swing Adsorbers) en los que el aire se hace circular a través de unos filtros que permiten separar el oxígeno del resto de componentes del aire.

La producción exclusiva de oxígeno a partir de electrólisis no se ha considerado hasta la fecha debido a sus altos requerimientos energéticos, ya que cuesta menos extraer oxígeno del aire a través de la separación de sus componentes que a partir de la molécula de agua en sus dos elementos (hidrógeno y oxígeno).

Con los planes impulsados por parte de la Unión Europea, se espera un aumento considerable de la potencia instalada y tamaño de electrolizadores en los países miembros. Por este motivo, resulta interesante poder plantear una valoración conjunta de los productos de la reacción electroquímica del agua, el hidrógeno y el oxígeno. Esta valoración supone aprovechar un “desecho” como es el oxígeno electrolítico actualmente y obtener una rentabilidad al producto, consiguiendo de esta manera un mayor rendimiento económico en el uso de los electrolizadores y por tanto del hidrógeno renovable.

Se espera un aumento de la demanda de los gases industriales, donde se enmarca el oxígeno, en los próximos años pasando de 1.670 millones de toneladas en 2023 a los 2.070 millones para el año 2030. Este aumento en la demanda puede ser cubierto, en cierta manera, por el oxígeno electrolítico que, aunque presenta un mayor consumo energético, será alimentado por energías renovables reduciendo la huella de carbono del producto final.

Contemplando el posible aprovechamiento en los próximos años del oxígeno electrolítico, es preciso estudiar de manera correcta los posibles usos del oxígeno en la industria.

Mejora de la eficiencia en la combustión de hornos

En las industrias metalúrgicas, cementeras, del vidrio se cuenta con unos requerimientos térmicos de muy alta temperatura con los que poder llevar a cabo su actividad. Las altas temperaturas se alcanzan mediante la combustión de combustibles fósiles como pueden ser gas natural o gasoil.

La combustión es una reacción química entre un combustible, los previamente mencionados, y un comburente. De manera general se utiliza el oxígeno contenido en el aire como comburente en los procesos industriales. El problema reside en que el aire está compuesto, grosso modo, de un 79 % de nitrógeno y un 21 % de oxígeno. El nitrógeno no cuenta con propiedades comburentes ni combustibles siendo un gas térmicamente inútil. Además, el nitrógeno se oxida a altas temperaturas generando NO_X y consumiendo grandes cantidades de energía en el proceso.

Para evitar el gasto innecesario de energía en la oxidación del nitrógeno, podemos sustituir el caudal de comburente compuesto por aire por un caudal de oxígeno puro. Esta sustitución de la composición del gas comburente se denomina oxicombustión y, al evitar el gasto energético en el calentamiento del nitrógeno, aumentamos de manera considerable la eficiencia de la reacción. Se obtiene como resultado un menor consumo de combustibles en la reacción, lo que conlleva una reducción de los gases de efecto invernadero y una preservación de los recursos naturales. A nivel técnico, la oxicombustión permite controlar de mejor manera la transferencia de calor, repercutiendo a su vez en el consumo de combustible y por ende en las emisiones de gases de efecto invernadero.

Campo de la medicina

El oxígeno es un elemento esencial para el organismo ya que se encarga de la producción energética en el cuerpo y de la eliminación de toxinas. El oxígeno medicinal es un gas incoloro, inodoro e insípido y cuenta con una pureza mínima del 99.5 %. Dentro de los gases medicinales, el oxígeno es el más utilizado ya que ha demostrado su importancia en multitud de prácticas médicas modernas y en numerosas terapias.

Este oxígeno de alta pureza puede ser administrado de diversas formas y a múltiples presiones, dependiendo si se trata de aplicaciones post anestesia, a través de respiradores o mediante la inhalación de medicamento por nebulización.

Purificación de residuos para la producción de biocombustibles

Para la producción de biocombustibles, especialmente biogás, se utilizan como materia prima los residuos ganaderos y agroindustriales, lodos de estaciones depuradoras de aguas residuales urbanas y la fracción orgánica de los residuos domésticos.

El biogás es un biocombustible compuesto principalmente por metano (CH₄) y dióxido de carbono (CO₂) que se genera a partir de la fermentación o descomposición de la materia orgánica, generando el biogás con unas características y empleo similares al gas natural.

De forma más detallada, el biogás se produce dentro de un digestor anaeróbico que se encuentra completamente sellado para evitar la entrada de luz y de aire. En el interior del digestor se encuentran una especie concreta de microorganismos que, en ausencia de oxígeno, digieren las sustancias orgánicas generando como producto el denominado biogás. En la reacción biológica de los microorganismos también se generan otros productos, como son el vapor de agua y el sulfuro de hidrógeno (H₂S), siendo este último un compuesto altamente corrosivo.

Aunque la reacción biológica se realiza en ausencia de oxígeno, éste gana importancia en el tratamiento de los productos de la reacción, en particular para la eliminación del sulfuro de hidrógeno mediante un proceso denominado dosificación de oxígeno o microoxigenación. Este proceso se realiza mediante la introducción de un caudal de oxígeno en la parte superior del digestor donde oxida el sulfuro de hidrógeno convirtiéndolo en azufre elemental. La dosificación de oxígeno también mejora la calidad del lodo digerido, reduciendo su potencial para formar espuma y acelerando el proceso de deshidratación de éste.

Purificación de aguas residuales en depuradoras

El oxígeno cobra una gran relevancia en el tratamiento de aguas, ya que la cantidad presente del elemento es de los parámetros más cruciales para la consecución correcta del proceso. La cantidad de oxígeno disuelto en el agua que es accesible para el consumo de microorganismos acuáticos se denomina oxígeno disuelto (OD).

La presencia de estos seres vivos es clave en el proceso de depuración de las aguas residuales, pues se encargan de descomponer la materia orgánica presente. En las plantas de tratamiento de aguas residuales se debe controlar la cantidad de oxígeno disuelto de manera exhaustiva, ya que un nivel insuficiente de OD puede inhibir la actividad biológica y una gran cantidad puede resultar también en una reducción de la presencia de organismos, dado que no todos son capaces de sobrevivir en condiciones de saturación de oxígeno. Por la necesidad de este control, es necesario contar con almacenamiento de oxígeno con el que poder inyectar oxígeno en el agua para controlar la cantidad de microorganismos presentes.

Por esta necesidad de oxígeno puede ser interesante la implementación de electrolizadores en las plantas depuradoras de agua, ya que el agua tratada puede ser utilizada por el electrolizador para producir hidrógeno y oxígeno, que a su vez sería utilizado en la aireación del reactor biológico. También podría ser aprovechado el calor generado por el electrolizador para calentar los reactores biológicos, aumentando de esta manera la eficiencia del proceso.

Industria alimentaria

En la industria alimentaria el oxígeno tiene diversas aplicaciones y usos, aunque no es comúnmente utilizado de manera directa para la alimentación desempeña un papel fundamental en múltiples procesos relacionados con el tratamiento de los alimentos. Dentro de los diferentes procesos podemos destacar:

• La oxidación y conservación de alimentos: el oxígeno se utiliza para mantener la respiración de los alimentos y prolongar su vida útil,  ayudando de esta manera a prevenir el deterioro y la descomposición de los mismos, manteniendo la frescura y el color de los productos.

• Coloración de la carne: el oxígeno favorece la pigmentación rojiza de las carnes, haciendo que se vean más atractivas y evitar el desperdicio de las mismas.

• Control de microrganismo anaeróbicos: la presencia de oxígeno elimina los posibles seres vivos anaeróbicos que puedan estar presentes en los alimentos, ya que éstos no son capaces de sobrevivir en este tipo de condiciones.

• Fermentación en la enología y la fabricación de cerveza: la presencia de oxígeno en los procesos de fermentación favorece la calidad de los productos.

Conclusiones

Si se cumplen los objetivos de la UE en cuanto a la potencia de electrolizadores, se contará con una alta producción de hidrógeno y de oxígeno que debe ser aprovechado para evitar perder un producto con una alta versatilidad, como hemos mencionado en este artículo, promoviendo de esta manera una economía circular de otra parte del proceso de generación de hidrógeno renovable y beneficiando de manera positiva en la eficiencia económica del proceso electrolítico, haciendo posible una bajada de precios del hidrógeno renovable. Actualmente, el oxígeno se genera mediante la destilación criogénica del aire, siendo éste un método con un consumo energético intensivo. Si añadimos la producción del oxígeno mediante electrólisis, supondrá un aumento considerable de la oferta del gas en el futuro, haciendo que caigan los precios y favoreciendo ciertos usos industriales hasta ahora apartados por sus altos costes, como puede ser la oxicombustión, haciendo que ciertos sectores con difícil descarbonización puedan ser más eficientes y reduzcan la huella de carbono de manera considerable.

Es cierto que para múltiples de los usos que hemos mencionado el oxígeno electrolítico no podría ser utilizado según sale del electrolizador, ya que dependiendo del tipo de tecnología utilizado y del fabricante éste tendrá una serie de propiedades específicas (caudal, presión, contenido de humedad). Aunque no parece que la tecnología de purificación del oxígeno electrolítico sea muy compleja, incluso podría ser más sencilla que la asociada a los sistemas ASU ya que presentan problemas debido a contar con temperaturas de ebullición muy próximas entre los diferentes elementos que componen el aire.