Retos para el tratamiento de aguas en la electrólisis de hidrógeno

El siguiente artículo explora los desafíos técnicos en el tratamiento de agua para la electrólisis del hidrógeno. Analiza requisitos clave como la calidad del agua, el monitoreo continuo y el control de parámetros de operación. En dicho contexto, veremos cómo las válvulas juegan un papel esencial en la optimización de cada etapa del proceso.

La calidad del agua influye directamente en la eficiencia de la electrólisis

La electrólisis del hidrógeno es una tecnología clave para producir hidrógeno verde, una fuente de energía prometedora para un futuro energético sostenible. Al tratar el agua para la electrólisis del hidrógeno, se deben tener en cuenta varios requisitos para garantizar una producción eficiente y confiable de hidrógeno verde. Este artículo considera los dos procesos de electrólisis más comunes, la electrólisis alcalina (AEL) y la electrólisis de membrana de electrolito polimérico (PEM).

Pretratamiento del agua de admisión

En general, la calidad del agua juega un papel crucial en la eficiencia de la electrólisis. Para maximizar la vida útil y la eficiencia de las celdas electrolíticas y evitar la formación de depósitos, el agua utilizada debe tener un bajo contenido de impurezas. Esto incluye, en particular, la reducción de iones como el calcio, el magnesio y el cloruro, así como la dureza de carbonatos, que pueden provocar la formación de depósitos. La desgasificación en el tratamiento del agua suele ser necesaria para eliminar el dióxido de carbono disuelto. 

Los electrolizadores PEM requieren agua ultrapura para reacciones óptimas

Además, hasta este punto, se utilizan tecnologías estándar como intercambiadores de iones y procesos de filtración por membrana en el pretratamiento para lograr una calidad similar al agua potable con una conductividad de < 300 μS/cm.

Pureza del agua de proceso

El tratamiento posterior del agua tiene un impacto directo en el rendimiento de las celdas de electrólisis. Hay que distinguir entre los requisitos para el agua de entrada al AEL y los del PEM. El AEL funciona con aproximadamente un 30% de sosa cáustica o hidróxido de potasio. La eliminación de los agentes de dureza del agua de proceso es la máxima prioridad aquí. Los electrolizadores PEM suelen requerir una calidad de agua ultrapura. La baja conductividad y un contenido mínimo de sólidos disueltos son cruciales para permitir reacciones electroquímicas eficientes. 

Para estas etapas del tratamiento del agua, se utilizan tecnologías como la ósmosis inversa de dos etapas, los intercambiadores de iones de lecho mixto o la electrodesionización (EDI). Con eso, dependiendo de los requisitos, se puede lograr una conductividad de <1 μS/cm o <0,1 μS/cm, y las sustancias orgánicas disueltas (TOC) se eliminan casi por completo.

Control de la calidad del agua durante la operación

La calidad del agua debe controlarse continuamente no solo antes del proceso de electrólisis, sino también durante el funcionamiento en el circuito de agua de proceso. Se requiere un sistema de monitoreo integrado para medir la conductividad y el TOC para detectar cambios en la composición del agua en una etapa temprana. A menudo se utiliza un sistema UV de presión media para reducir los valores de TOC y un intercambiador de iones de lecho mixto o un segundo EDI para reducir la conductividad. Esto garantiza un rendimiento constante y prolonga la vida útil de las celdas electrolíticas.

El monitoreo continuo garantiza la estabilidad y prolonga la vida útil del sistema

Control de temperatura y presión

La electrólisis de hidrógeno es sensible a las fluctuaciones de temperatura y presión. Por lo tanto, el tratamiento del agua no solo debe tener como objetivo la pureza del agua, sino también estabilizar los parámetros de funcionamiento. La gestión eficiente de la temperatura y la presión mediante intercambiadores de calor y el control inteligente del caudal en el circuito de agua de proceso se utiliza a menudo para maximizar el rendimiento de las celdas de electrólisis.

Válvulas en el tratamiento de aguas

Las válvulas juegan un papel crucial en todas las etapas del tratamiento del agua de proceso. La selección de los materiales y tipos de válvulas adecuados es importante desde la etapa de preprocesamiento. GEMÜ ofrece una amplia gama de productos para este paso del proceso. Por un lado, influye el tipo de producto y, por otro, la elección de los materiales. En el preprocesamiento suele encontrarse válvulas de mariposa y válvulas de bola para el control de encendido/apagado, así como válvulas de diafragma y de asiento para el suministro de productos químicos y el control de caudal. Los plásticos o los cuerpos metálicos recubiertos y las juntas de EPDM suelen ser materiales suficientes.

Las válvulas son clave en todas las etapas del tratamiento del agua

Se pueden encontrar combinaciones de materiales de mayor calidad en la preparación y distribución o circulación de agua de proceso desionizada o de alta pureza. Los cuerpos de válvulas y las válvulas de mariposa de acero inoxidable o de plásticos fluorados como el PVDF se combinan con juntas de PTFE, FKM o EPDM. Es crucial en este proceso evitar la contaminación del agua purificada. En la práctica, los sistemas se construyen tanto en versión de metal como de plástico. Por lo tanto, la amplia gama y la gran flexibilidad de la cartera de productos de Gemü a la hora de seleccionar variantes de válvulas son importantes para encontrar siempre la solución adecuada. 

Tabla: Descripción general de la tecnología de válvulas en el tratamiento de agua (UF: Ultrafiltración, MF: Microfiltración, NF: Nanofiltración, RO: Ósmosis inversa, IX: Intercambio iónico, EDI: Electrodesionización).

La gestión de temperatura y presión optimiza el rendimiento de la electrólisis

Además de la selección de materiales, el control de las válvulas y la integración en el control del sistema desempeñan un papel importante dentro del ciclo del agua de proceso. Las válvulas de diafragma y de asiento se pueden utilizar para controlar el flujo. Esto permite un control eficiente de la presión y la temperatura del proceso de electrólisis. Los accionamientos neumáticos o eléctricos para el control de posición y la retroalimentación se pueden integrar directamente en el PLC a través de interfaces analógicas o digitales.

Resumen

Los requisitos para el tratamiento del agua en la electrólisis de hidrógeno son complejos y cruciales para la eficiencia y la longevidad de las celdas de electrólisis. El monitoreo continuo de la calidad del agua, la pureza del agua y el control de la temperatura y la presión son elementos clave para garantizar la producción sostenible y económica de hidrógeno verde. Las válvulas desempeñan un papel importante en toda la cadena de proceso, desde el pretratamiento hasta el ciclo del agua de proceso. El tipo de válvula, la elección del material y el control de las válvulas son los criterios decisivos para garantizar un funcionamiento fiable del sistema. 

Claves para una electrólisis eficiente

• Calidad del agua. Clave para prolongar la vida útil de las celdas electrolíticas.
• Electrolizadores PEM. Requieren agua ultrapura para máxima eficiencia.
• Monitoreo continuo. Garantiza estabilidad y detecta cambios tempranos.
• Válvulas estratégicas. Imprescindibles en cada etapa del tratamiento.
• Control preciso. La gestión de temperatura y presión optimiza el rendimiento.