La electrólisis de alta temperatura (también VTE, electrolisis de vapor, electrólisis de alta temperatura, HTE ) es una tecnología para producir hidrógeno a partir de agua a altas temperaturas [1] .
La electrólisis a alta temperatura es más rentable que la electrólisis tradicional a temperatura ambiente porque parte de la energía se suministra en forma de calor, que es más barata que la electricidad, y porque la reacción de electrólisis es más eficiente a temperaturas más altas. De hecho, a una temperatura de 2500 °C, no se requiere aporte eléctrico, porque el agua se descompone en hidrógeno y oxígeno como resultado de la termólisis . Sin embargo, tales temperaturas no son prácticas; Los sistemas WTE propuestos funcionan a temperaturas de 100 a 850 °C [2] [3] [4] .
La eficiencia de la electrólisis a alta temperatura se evalúa mejor suponiendo que la electricidad utilizada proviene de un motor térmico y luego considerando la cantidad de energía térmica necesaria para producir 1 kg de hidrógeno (141,86 MJ) en comparación con la energía utilizada en el proceso. A 100°C se requieren 350 MJ de energía térmica (41% de eficiencia), a 850°C 225 MJ (64% de eficiencia).
La elección de materiales para electrodos y electrolitos en una celda de óxido sólido es muy importante . En una de las variantes estudiadas del proceso [5] , se utilizaron electrolitos de óxido de zirconio estabilizado con óxido de itrio , electrodos de vapor/hidrógeno de níquel- cermet y electrodos de óxido mixto de lantano, estroncio y cobalto y oxígeno.
Incluso con WFE, la electrólisis es una forma bastante ineficiente de almacenar energía. Se producen pérdidas significativas de energía de conversión tanto durante la electrólisis como durante la conversión del hidrógeno resultante en energía.
A los precios actuales de los hidrocarburos, WTE no puede competir como fuente de hidrógeno con la pirólisis de hidrocarburos.
WFE es de interés como una forma neutral de carbono para producir combustible y almacenar energía. Esto puede ser económicamente beneficioso si se pueden utilizar fuentes de calor de combustibles no fósiles baratos (concentración solar, nuclear, geotérmica) junto con fuentes de electricidad de combustibles no fósiles (como solar, eólica, oceánica, nuclear).
Todos los posibles suministros de calor económico de alta temperatura para WTE no son químicos, incluidos los reactores nucleares , los colectores solares térmicos de concentración y las fuentes geotérmicas . La WFE se ha demostrado en el laboratorio a 108 kJ (eléctricos) por gramo de hidrógeno producido, pero no a escala industrial. [6]
Con una fuente de calor de alta temperatura barata disponible, son posibles otros métodos de producción de hidrógeno. En particular, el ciclo termoquímico de azufre-yodo . La producción termoquímica puede lograr una mayor eficiencia que la WFE porque no se requiere un motor térmico. Sin embargo, la producción termoquímica a gran escala requerirá avances significativos en materiales que puedan soportar altas temperaturas, altas presiones y entornos altamente corrosivos.
El mercado del hidrógeno es grande (50 millones de toneladas al año en 2004, con un valor aproximado de 135 000 millones de dólares al año) y crece aproximadamente un 10 % al año (ver economía del hidrógeno ). Este mercado se satisface con la pirólisis de hidrocarburos para producir hidrógeno, lo que se traduce en emisiones de CO2. Los dos principales consumidores son las refinerías y las plantas de fertilizantes (cada una consume alrededor de la mitad de toda la producción). Si los vehículos de hidrógeno se generalizan, su consumo aumentará considerablemente la demanda de hidrógeno.
La electrólisis a alta temperatura con celdas de electrólisis de óxido sólido se ha utilizado para producir 5,37 gramos de oxígeno por hora en Marte a partir del dióxido de carbono atmosférico para el experimento Mars Oxygen ISRU en el rover Perseverance Mars 2020 de la NASA utilizando zirconia en el dispositivo de electrólisis [7] [8 ] [9 ] .