En los últimos años, el hidrógeno se ha posicionado como una de las alternativas más prometedoras para alcanzar un modelo energético sostenible. Su capacidad para almacenar energía y su uso en procesos industriales y transporte lo convierten en un recurso fundamental en la transición hacia una economía libre de carbono. Empero, su producción sigue siendo costosa y requiere una cantidad significativa de energía.

Esa producción depende de los electrolizadores, cada uno con características y aplicaciones específicas en el mercado actual. Los más comunes son los de membrana de intercambio de protones (PEM), los alcalinos y los incipientes de óxido sólido. Los electrolizadores alcalinos son los más tradicionales y suelen utilizar una solución líquida de hidróxido de potasio como electrolito, siendo relativamente económicos y duraderos, pero menos eficientes en términos de respuesta rápida a fluctuaciones de energía renovable.

Los electrolizadores PEM, en cambio, emplean una membrana sólida que permite una producción de hidrógeno más eficiente y rápida, ideal para integrar con fuentes renovables como la eólica y solar. Estos sistemas funcionan como un electrolito sólido, permitiendo el paso de protones entre el ánodo y el cátodo, y separando los productos de la electrólisis. Esta estructura permite que el hidrógeno se forme en el cátodo y el oxígeno en el ánodo, sin que ambos gases se mezclen. 

“Un electrolizador funciona de forma similar a una batería, pero en lugar de almacenar energía, la convierte en hidrógeno, lo cual resulta esencial para aprovechar al máximo la energía renovable”, señalan los investigadores del CSIC María Retuerto y Álvaro Tolosana, en entrevista con DISRUPTORES - EL ESPAÑOL. "Los electrolizadores convencionales suelen requerir un líquido muy corrosivo, mientras que los de membrana PEM pueden operar a temperaturas más bajas y con una mayor eficiencia".

Pero no es oro todo lo que reluce. Uno de los principales obstáculos para la adopción de esta tecnología es el coste de los materiales necesarios para construir los electrolizadores. Actualmente, los catalizadores suelen estar hechos de metales preciosos como el iridio y el platino, que son altamente efectivos pero extremadamente caros. 

Ahí es donde entra en juego el trabajo de Retuerto y Tolosana a través del proyecto Proton Exchange Membrane Water Electrolyzer Prototype with Improved Components (PRAGMATIC). Una iniciativa que busca ofrecer una solución para optimizar el proceso de producción de hidrógeno con materiales más económicos y que permitan su escalado.

Del iridio al maganeso, del titanio al acero

La historia de PRAGMATIC se remonta a años de investigación en electrólisis y en el desarrollo de catalizadores, esenciales para el funcionamiento de los electrolizadores. "Nuestro grupo ya trabajaba en hidrógeno, y hace unos diez años comenzamos a experimentar con electrolizadores de agua, combinando conocimientos de diversas áreas", explica Retuerto. 

Pero en lo que nos ocupa en el presente, el proyecto PRAGMATIC busca reducir la dependencia de los antes mentados metales preciosos mediante el desarrollo de nuevos catalizadores que emplean cantidades mínimas de iridio o lo sustituyen por otros materiales más accesibles.

"Hemos trabajado en la creación de óxidos mixtos, que combinan el iridio con otros elementos como el manganeso o el calcio, permitiendo mantener la actividad del catalizador y reducir significativamente su coste", indican los investigadores a DISRUPTORES - EL ESPAÑOL. 

Además, el equipo de PRAGMATIC también está investigando el uso de técnicas de recubrimiento para los componentes de los electrodos, lo cual permite reemplazar el titanio, otro material costoso, con alternativas más económicas. "Estamos trabajando en métodos de deposición de vapor físico y químico que podrían permitirnos recubrir acero con titanio o directamente utilizar aceros especiales, lo cual sería mucho más asequible", añaden María Retuerto y Álvaro Tolosana.

Más eficiencia

Otro de los objetivos clave del proyecto es mejorar la eficiencia energética de los electrolizadores, lo cual implica maximizar la cantidad de hidrógeno producido por unidad de energía consumida. Actualmente, los electrolizadores convencionales alcanzan una densidad de corriente de unos dos amperios por centímetro cuadrado, pero el equipo de PRAGMATIC espera superar este umbral.

"Nuestro objetivo es llegar a seis amperios por centímetro cuadrado en medio ácido, lo cual triplicaría la eficiencia de los sistemas convencionales", adelantan Retuerto y Tolosana. 

El reto del escalado

Con todo, para que la tecnología PEM alcance su máximo potencial, es esencial que se pueda escalar a niveles industriales sin perder eficiencia. Los dispositivos de prueba empleados en el laboratorio, aunque efectivos, presentan desafíos al pasar a tamaños mayores.

"Cuando se pasa de una celda de laboratorio a una estructura de mayor escala, surgen problemas de fluido-dinámica y eficiencia que hacen más difícil mantener las mismas prestaciones", advierten los investigadores del CSIC. Sin embargo, el equipo está trabajando en colaboración con otros científicos y empresas para identificar y resolver estos problemas.

Además de optimizar el rendimiento de los electrolizadores, PRAGMATIC también busca mejorar el balance de planta, es decir, los sistemas auxiliares necesarios para que los electrolizadores funcionen adecuadamente. Esto incluye el flujo de agua, la gestión de gases y la posibilidad de presurizar el hidrógeno a medida que se produce, algo que los electrolizadores convencionales no pueden hacer. "La presurización del hidrógeno reduce la necesidad de compresión posterior y abarata el proceso en su conjunto", explican sus impulsores.

Aunque este camino hacia la comercialización a gran escala aún presente grandes obstáculos, el trabajo de personas como María Retuerto y Álvaro Tolosana es un paso importante hacia un futuro en el que el hidrógeno pueda ser una alternativa viable a los combustibles convencionales.

"Creemos que en los próximos años, con el avance en la investigación, veremos una nueva generación de electrolizadores más eficientes, modulares y accesibles", concluyen.