Tras más de cuatro años de investigación, los expertos del proyecto europeo SWITCH han desarrollado una tecnología de producción de hidrógeno basada en las pilas de combustible de óxido sólido (SOFC, por sus siglas en inglés). Dada la variabilidad de las fuentes renovables, el sistema permite alternar entre el modo de electrólisis (SOE, por sus siglas en inglés) y el modo de celda de combustible según lo requiera, garantizando así la estabilidad del suministro eléctrico.
Las pilas de combustible de óxido sólido ofrecen una alternativa eficiente y respetuosa con el medio ambiente para la conversión en hidrógeno de la electricidad procedente de fuentes renovables. También pueden funcionar en el sentido contrario, proporcionando energía como una pila de combustible de hidrógeno.
Basándose en esta tecnología, los expertos de SWITCH perseguían desarrollar un sistema capaz de alternarse entre diferentes fuentes y generar una producción flexible no solo de hidrógeno, sino también de calor y energía teniendo en cuenta casos de uso específicos.
Prototipo de sistema SWITCH de 25 kW
Para alcanzar su propósito, el núcleo del sistema SWITCH debía estar formado por tres elementos: un módulo de óxido sólido reversible basado en electrolitos con soporte de ánodo; una unidad de tratamiento de combustible que pueda gestionar la generación de vapor y reacciones de reformado de metano con gran eficiencia; y una unidad de purificación para garantizar un hidrógeno de alta pureza.
El objetivo final era probar un prototipo de sistema SWITCH de 25 kW que funcione en un entorno industrial, pero también con la intención de que sea escalable y alcance aplicaciones específicas en otros sectores.
El proyecto SWITCH ha sido coordinado por la Fundación Bruno Kessler (Italia) y ha contado con la colaboración de otras seis entidades procedentes de Suiza, Países Bajos, Alemania y Polonia. El proyecto se inició en enero de 2020 y finalizó en marzo de 2024. El coste total de la iniciativa ha sido de 3.746.753 euros y ha recibido 2.992.521 euros de financiación por parte del programa europeo Horizon 2020 de la Comisión Europea.
Sistema modular para diversas aplicaciones energéticas
El sistema SWITCH parte del desarrollo anteriormente alcanzado en el proyecto CH2P, en el que se desarrolló un prototipo para producir hidrógeno a partir de biometano mediante una pila de combustible de óxido sólido. El equipo de SWITCH se basó en este prototipo con el propósito de ampliar su funcionalidad para incluir la electrólisis y utilizar distintos tipos de entrada de energía.
El sistema cambia de fuente de combustible según las necesidades, pudiendo garantizar un suministro estable de electricidad a base de hidrógeno con bajas emisiones de carbono para aplicaciones como, por ejemplo, las estaciones de repostaje de los vehículos. Además, el prototipo se diseñó como un sistema modular, de modo que la producción de hidrógeno puede ampliarse o reducirse añadiendo o retirando componentes, como las pilas de combustible y los subsistemas asociados. Esto permite adaptar el sistema a las necesidades específicas y a las fuentes de energía disponibles en un lugar o aplicación determinados.
El mismo sistema puede alimentarse de energía eléctrica, energía renovable y procesos de electrólisis del agua, cambiando de uno a otro según sea necesario. El calor de la pila de combustible se utiliza para generar hidrógeno de forma eficiente. Además, el prototipo puede dividir el agua para producir oxígeno e hidrógeno de gran pureza. Sin embargo, si no dispone en un momento determinado de energía renovable, puede pasar a la electrólisis para convertir el biometano y producir hidrógeno como energía eléctrica.
Según señalan los investigadores, el principal reto durante la fase de diseño residió en encontrar un número mínimo de componentes que pudieran funcionar en dos procesos totalmente diferentes. Para abordar esto, un sistema de control único desarrollado por los socios del proyecto permitió detectar el tipo de energía de entrada y así ajustar los procesos en función de ello. Esto incluye el uso de la electrólisis para producir hidrógeno a partir de electricidad renovable o craqueo a vapor para obtener biometano.
Para un sistema de producción de hidrógeno de alta potencia era fundamental garantizar que los sistemas de seguridad y control estuvieran bien desarrollados y validados, según indican los investigadores. Por este motivo, el sistema de control pasó por varios prototipos, integrando sistemas y protocolos de seguridad para gestionar las condiciones de funcionamiento y los riesgos asociados a cada proceso.
Validación del sistema y optimización del rendimiento
La optimización de la eficiencia y el rendimiento, especialmente en el cambio entre modos de entrada de energía, requirió numerosas pruebas y perfeccionamientos para llegar a un prototipo que pudiera validarse en un entorno operativo. Los expertos se enfrentaron a diversos problemas porque la metodología consistía en validar cada componente por separado: la célula, el cambiador de datos, el vaporizador y el reactor.
Para su validación, cada componente se integró en dos contenedores situados en el centro de demostración que la compañía HyGear, uno de los socios del proyecto, posee en los Países Bajos. A pesar de que el período de demostración sufrió dificultades debido a que coincidió con la pandemia de COVID-19, el prototipo se probó durante 1.000 horas y finalmente comprobaron que no había ningún rastro de degradación en el bloque de pilas.
En el modo SOE, el sistema SWITCH utiliza la electricidad producida a partir de fuentes renovables para producir hidrógeno verde. A través de la electrólisis, utiliza electricidad renovable para dividir las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno. De forma paralela, el sistema SWITCH busca ampliar las operaciones del modo de electrólisis al permitir que la celda de óxido sólido opere en modo SOFC en conversión parcial de combustible, permitiendo así la producción simultánea de hidrógeno y electricidad.
Gracias a su carácter reversible, el sistema SWITCH funciona en modo de electrólisis cuando haya electricidad renovable disponible y en modo de pila de combustible el resto del tiempo. El resultado es una solución capaz de adaptarse a diferentes fuentes de energía para la producción de hidrógeno, calor y energía para diversos casos de uso y sectores.