Resumen de Desarrollo y validación de un modelo de sistemas de electrolisis alcalina para la produccion de hidrógeno a partir de energías renovables
Las energías renovables, son una de las principales alternativas para afrontar muchos de los desafíos que se plantean a futuro como mitigar el cambio climático mediante la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero, reducir la fuerte dependencia energética con otros países y desarrollar un tejido industrial. Sin embargo, hay que tener en cuenta que, actualmente, el sistema energético no está diseñado para la entrada masiva de estas fuentes de energía, ya que el aumento en el uso de energías renovables trae consigo ventajas, pero también ciertas complicaciones. Entre ellas, la aleatoriedad en la generación de energía, que dificulta su ajuste y puede afectar a la estabilidad de la red.
En este contexto, el hidrógeno podría jugar un papel clave en el desarrollo de un nuevo sistema energético y en la integración de grandes cantidades de energías renovables, principalmente solar y eólica, a través de la electrólisis. De esta manera, el uso del hidrógeno no solo reducirá el volumen de emisiones, sino que además reducirá la dependencia de los combustibles fósiles y permitirá almacenar la electricidad procedente de energías renovables intermitentes, resolviendo así este problema y ofreciendo la posibilidad de transportar esa energía.
Actualmente la electrólisis alcalina es la tecnología más madura de todos los procesos electrolíticos, siendo sus ventajas claves su disponibilidad comercial para la producción de hidrógeno a gran escala y su bajo coste especifico respecto al resto de tecnologías de electrólisis existentes. Sin embargo, el estado del arte revela que, aunque se encuentra totalmente desarrollada, todavía es necesario trabajar en la mejora de la eficiencia, la durabilidad y la reducción de costes para su implantación definitiva.
Los esfuerzos de I+D se han centrado principalmente en las celdas electrolíticas. Sin embargo, aunque las celdas de electrólisis son el corazón del sistema porque en ellas tienen lugar las reacciones electroquímicas, hay que tener en cuenta que el balance de planta representa aproximadamente entre un 20-35 % del coste total de un electrolizador alcalino y reduce la eficiencia del stack considerablemente. Por lo tanto, el desarrollo de balances de planta optimizados es un punto clave en el camino hacia la disminución de costes y el aumento de la eficiencia de plantas de electrólisis para la producción de hidrógeno.
Una de las principales herramientas para el diseño y optimización de sistemas es la modelización. Hasta la fecha, no existe ningún modelo en la literatura que incluya todos los componentes de un sistema de electrólisis, por lo que, en este trabajo se ha desarrollado un modelo estacionario que permita simular una planta de electrólisis alcalina considerando tanto el stack/celdas como el balance de planta. Para la implementación del modelo se ha utilizado Aspen Plus. El problema es que Aspen Plus, como otros simuladores químicos destinados principalmente a la industria petroquímica, no cuenta con los códigos necesarios para llevar a cabo la simulación de las celdas de electrólisis. Por ello, ha sido necesario previamente desarrollar un modelo matemático capaz de describir el comportamiento electroquímico y termodinámico del stack de electrólisis alcalina.
El modelo electroquímico implementado para el stack está basado en una serie de ecuaciones semi-empíricas que permiten determinar el voltaje de celda, la eficiencia de Faraday y la pureza de los gases producidos como una función de la densidad de corriente, usando tanto principios físicos relacionados con los procesos de electrólisis como métodos estadísticos. Los diferentes parámetros definidos en las ecuaciones del modelo han sido calculados con MATLAB en función de los datos experimentales obtenidos en un banco de ensayos de electrólisis alcalina desarrollado en el marco de este trabajo. Este modelo propio se ha integrado en Aspen Plus como una subrutina. El resto de componentes del balance de planta se modelizan con las unidades de operación standard incluidas en Aspen Plus.
El modelo final ha sido validado experimentalmente, cuantificándose las desviaciones que se producen y el error cometido. Los resultados muestran que se ha alcanzado una correlación muy buena entre los datos experimentales y los obtenidos mediante el modelo propuesto.
Por lo tanto, el modelo presentado en este trabajo permite simular la operación de una planta de electrólisis en diferentes puntos de operación, realizando los balances de materia y energía tanto de cada componente como del sistema completo, de una manera rápida (debido a la relativa sencillez que ofrece trabajar con simuladores como Aspen Plus) y con elevada precisión (ya que se ha modelado el stack de electrólisis utilizando ecuaciones propias basadas en datos experimentales). En base a esto, ha sido posible analizar el comportamiento termodinámico del sistema en detalle, identificando las fuentes de pérdidas e ineficiencias del sistema (balances energéticos y exergéticos) y, de esta manera, minimizar los costes (costes de inversión, CAPEX) y optimizar la eficiencia (costes operativos, OPEX).
Además, como el modelo es aplicable en un amplio rango de operación, puede ser usado para llevar a cabo estudios paramétricos, con el objetivo de evaluar el efecto de las diferentes variables del proceso y cuáles deberían ser modificadas para mejorar el funcionamiento del electrolizador.
Los resultados obtenidos demuestran que el modelo en Aspen Plus desarrollado en el marco de esta tesis, constituye una herramienta con un gran potencial para el diseño, mejora y optimización de electrolizadores alcalinos, especialmente cuando son alimentados mediante energías renovables, permitiendo integrar el sistema de electrólisis alcalina con otros procesos para el desarrollo de estudios de viabilidad técnico-económica.
