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- ¿Qué son las pruebas de electrólisis y por qué son importantes para la producción de hidrógeno?
- ¿Se prueban de forma diferente los distintos tipos de electrolizadores (alcalinos, PEM y SOEC)?
- ¿Cuál es la diferencia entre las pruebas de celdas individuales/stacks y las pruebas de sistemas completos de electrolizadores?
- ¿Qué parámetros clave se miden durante las pruebas de electrolizadores?
- ¿Qué equipos e instrumentos se utilizan para las pruebas de electrólisis de hidrógeno?
- ¿Qué normas industriales y certificaciones se aplican a las pruebas de electrolizadores?
- ¿Cuáles son los desafíos habituales identificados durante las pruebas de electrolizadores?
¿Qué son las pruebas de electrólisis y por qué son importantes para la producción de hidrógeno?
La electrólisis es la tecnología clave para producir hidrógeno verde y climáticamente neutro. Las pruebas de electrólisis consisten en la evaluación sistemática de stacks, celdas y componentes, hasta llegar al sistema completo, bajo condiciones de funcionamiento definidas. El objetivo es evaluar de forma reproducible el rendimiento, la eficiencia, el rango operativo, la dinámica, la seguridad y el envejecimiento.
Esto es decisivo para una introducción exitosa en el mercado, ya que los electrolizadores se operan cada vez con mayor flexibilidad utilizando electricidad renovable fluctuante y, al mismo tiempo, deben alcanzar una alta disponibilidad y una larga vida útil.
La validación puede abarcar desde las pruebas de materiales, electrodos y celdas individuales hasta ensayos de short stacks y full stacks a escala de megavatios. Los perfiles de carga automatizados y el funcionamiento 24/7 permiten realizar pruebas realistas de larga duración y de comportamiento dinámico.
De este modo, es posible identificar puntos débiles en una fase temprana, optimizar diseños y validar desarrollos desde el laboratorio hasta la madurez de mercado. En este contexto, las pruebas aceleradas de envejecimiento desempeñan un papel especialmente importante, también para reducir los ciclos de desarrollo y acelerar así la introducción en el mercado. Además, los resultados de pruebas independientes generan confianza y constituyen la base para la financiabilidad y, por tanto, para la realización de la expansión del hidrógeno.
¿Se prueban de forma diferente los distintos tipos de electrolizadores (alcalinos, PEM y SOEC)?
Sí. Los parámetros fundamentales son comparables, pero las condiciones de prueba difieren según la tecnología.
La electrólisis alcalina (AEL) funciona con un electrolito alcalino líquido y plantea requisitos específicos para la gestión del electrolito y la pureza del gas. La electrólisis PEM (PEMEL) utiliza una membrana conductora de protones y normalmente funciona con densidades de corriente más altas y una elevada dinámica.
La electrólisis AEM (AEMEL) combina el uso de tecnología de membrana con condiciones alcalinas. La SOEL, en cambio, funciona con vapor de agua a altas temperaturas y requiere, por tanto, bancos de ensayo y protocolos térmicos diferentes.
Las tecnologías de baja temperatura AEL, AEMEL y PEMEL pueden examinarse en condiciones reales de funcionamiento utilizando bancos de ensayo optimizados para cada una de ellas.
¿Cuál es la diferencia entre las pruebas de celdas individuales/stacks y las pruebas de sistemas completos de electrolizadores?
Las pruebas de celdas individuales se utilizan principalmente para caracterizar materiales y componentes como electrodos, membranas o separadores bajo condiciones controladas, precisas y repetibles. Los efectos electroquímicos pueden analizarse específicamente mediante métodos como curvas de polarización, EIS, CV o LSV.
Las pruebas de stacks trasladan estas cuestiones a varias celdas a escala técnica y muestran además los efectos de la uniformidad de las celdas, los contactos, la distribución de medios, el control de temperatura y el escalado.
Al probar sistemas completos, se analiza todo el sistema de electrólisis, incluido el balance of plant, por ejemplo, el tratamiento de agua, las bombas, la separación de gases, la refrigeración, la electrónica de potencia y el control.
Uno de los principales enfoques puede encontrarse en las pruebas de stacks y componentes y, en particular, en crear un puente entre las pruebas de celdas individuales y las pruebas de short stacks y full stacks a una escala industrialmente relevante.
¿Qué parámetros clave se miden durante las pruebas de electrolizadores?
Las pruebas de stacks se centran principalmente en evaluar la eficiencia, la calidad del gas y el comportamiento de degradación. Las principales variables medidas son la tensión de la celda y del stack, la densidad de corriente, la temperatura, la presión, el caudal y la cantidad de hidrógeno producido.
A partir de estos datos se obtienen valores como la curva de polarización, la eficiencia y el consumo específico de energía. También se analizan la calidad del gas y el gas crossover, ya que influyen tanto en la eficiencia como en la seguridad.
A escala de laboratorio también se utilizan métodos de diagnóstico electroquímico como EIS, CV y LSV para investigar, por ejemplo, pérdidas óhmicas, cinéticas o de transporte de masa.
En las pruebas de larga duración y dinámicas también se examinan las tasas de degradación, el comportamiento de arranque y parada y la reacción ante perfiles de carga variables. Estas mediciones pueden realizarse desde celdas individuales hasta stacks a escala multi-MW, así como bajo diferentes niveles de presión y corriente.
¿Qué equipos e instrumentos se utilizan para las pruebas de electrólisis de hidrógeno?
En primer lugar, se requieren instalaciones de infraestructura muy específicas y complejas, como conexiones eléctricas de gran potencia, sistemas especiales de detección de gases en edificios e instalaciones para aprovechar el hidrógeno producido.
Un banco de pruebas de electrólisis combina entonces el suministro eléctrico, el suministro de medios, la tecnología de medición y seguridad, así como la adquisición y evaluación automatizadas de datos.
Se necesitan rectificadores de alta potencia, sistemas de medición de tensión y corriente, sensores de temperatura, presión y caudal, así como sistemas para el suministro de agua o electrolito, refrigeración y conducción de gases. El análisis de gases se utiliza, entre otras cosas, para determinar la pureza y el crossover.
Para investigaciones electroquímicas detalladas se utilizan potenciostatos y espectroscopia de impedancia; también resulta útil un análisis complementario de materiales mediante SEM y EDX.
Dependiendo de la instalación de ensayo, pueden estar disponibles varios bancos de ensayo y una amplia variedad de métodos complementarios de análisis de materiales. Los datos de medición también pueden seguirse online en tiempo real.
¿Qué normas industriales y certificaciones se aplican a las pruebas de electrolizadores?
Para los electrolizadores son especialmente relevantes las normas internacionales y los procedimientos de ensayo armonizados. Existen protocolos de ensayo JRC armonizados por la UE para la evaluación comparable del rendimiento y el envejecimiento, por ejemplo, para curvas de polarización, EIS, rendimiento energético y pruebas aceleradas de estrés y degradación.
Las normas y certificaciones que deben aplicarse específicamente dependen de la tecnología, los límites del sistema, el nivel de presión y el lugar de uso posterior.
Por ello, para el desarrollo, además del cumplimiento formal de las normas, es importante utilizar una metodología de ensayo reproducible y documentada que defina claramente las condiciones de funcionamiento y las incertidumbres de medición.
¿Cuáles son los desafíos habituales identificados durante las pruebas de electrolizadores?
Los desafíos habituales suelen aparecer únicamente bajo condiciones de funcionamiento realistas: distribución desigual de la densidad de corriente, la temperatura o los medios dentro del stack, aumento de las tensiones de las celdas debido a la degradación, gas crossover, fugas, problemas de contacto y sellado o limitaciones durante el funcionamiento a carga parcial y los cambios rápidos de carga.
También existen interacciones entre componentes que todavía no son visibles en las pruebas de celdas individuales. Durante el funcionamiento dinámico con electricidad renovable, los ciclos de arranque y parada, los cambios rápidos de carga y los largos periodos de funcionamiento son especialmente relevantes.
Un desafío importante es la transferibilidad de los resultados de laboratorio a stacks de mayor tamaño. Por ello, las pruebas en diferentes niveles de escalado pueden combinarse con diagnósticos electroquímicos y análisis de materiales para identificar específicamente las causas de las anomalías.
Contenido aportado por el Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW)
Como uno de los principales institutos independientes de investigación sobre hidrógeno de Europa, la misión del ZSW consiste en la I+D orientada a la aplicación y la transferencia de tecnología a la industria, con el fin de impulsar la implantación en el mercado de nuevas tecnologías energéticas. Con décadas de experiencia en electrólisis —incluidas las tecnologías AWE, AEM y PEM—, así como en el desarrollo, ensayo y fabricación de pilas de combustible PEM, ofrecemos servicios de ensayo y asesoramiento, I+D en colaboración y nuestras propias tecnologías y propiedad intelectual para el desarrollo de productos. ZSW: 38 años de investigación, desarrollo y transferencia de tecnología.
