Comparación de sistemas de producción de hidrógeno mediante Steam Reforming, electrolizador tipo alcalino y electrolizador tipo PEM

Equation Chapter 1 Section 1 Autor: Lina Juliana Hoyos Tutor: Bernabé Alonso Fariñas Trabajo Fin de Máster Ingeniería Ambiental Comparación de sistemas de producción de hidrógeno mediante Steam Reforming, electrolizador tipo alcalino y electrolizador tipo PEM Dpto. de Ingeniería Química y Ambiental Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2024 Autor: Lina Juliana Hoyos Tutor: Bernabé Alonso Fariñas iii Trabajo Fin de Máster Ingeniería Ambiental Comparación de sistemas de producción de hidrógeno mediante Steam Reforming, electrolizador tipo alcalino y electrolizador tipo PEM Autor: Lina Juliana Hoyos Tutor: Bernabé Alonso Fariñas Profesor titular Dpto. de Ingeniería Química y Ambiental Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2024 v Trabajo Fin de Máster: Comparación de sistemas de producción de hidrógeno mediante Steam Reforming, electrolizador tipo alcalino y electrolizador tipo PEM Autor: Lina Juliana Hoyos Tutor: Bernabé Alonso Fariñas El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2024 El Secretario del Tribunal vii A mi familia A mis maestros ix Agradecimientos A todas las personas que me han inspirado para llegar hasta aquí. A mi primera maestra, mi madre, por su amor y dedicación. A mi amigo y socio Willi, por su confianza y orientación, siempre a mi lado. A mis amigos, por brindarme la oportunidad de conocerlos y aprender de ellos. A mi amigo de la infancia, Sebas, por su amistad incondicional y constante apoyo. A mi tutor, por sus valiosos consejos y su dedicación al proceso de enseñanza en cada detalle. A Leidy que, con su apoyo constante y aliento, hizo posible que este proyecto se materializara. Su presencia y respaldo, invaluables. . A Dios por guiarme en este camino, dándome fuerza, sabiduría y perseverancia para alcanzar esta meta. Lina Juliana Hoyos Sevilla, 2024 3.2.3 Cálculos 50 3.3 Electrólisis PEM 53 3.3.1 Suposiciones 55 3.3.2 Limitaciones 55 3.3.3 Cálculos 56 4 Evaluación del Impacto 59 4.1 Selección de categorías de impacto 59 4.2 Metodología de evaluación del impacto 60 4.3 Resultados de caracterización en SimaPro 61 5 Interpretación del ACV 63 5.1 Análisis de los asuntos significativos 63 5.1.1 Análisis por categorías de impacto 63 5.2 Evaluación de resultados por etapas de producción o uso 65 5.2.1 Calentamiento Global GW 65 5.2.2 Ecotoxicidad Terrestre 65 5.2.3 Radiación ionizante 65 5.2.4 Toxicidad humana carcinogénica 66 5.2.5 Escasez de recursos minerales 66 5.2.6 Consumo de agua 66 5.3 Conclusiones, limitaciones y recomendaciones 68 5.3.1 Conclusiones 68 5.3.2 Limitaciones 68 5.3.3 Recomendaciones 68 Referencias 70 ANEXOS I ANEXO A. CÁLCULOS I Cálculos adicionales reformado I Cálculos adicionales electrólisis alcalina III Cálculos adicionales Electrólisis PEM V ANEXO B. INVENTARIOS vii xvii ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2-1. Matriz de indicadores de calidad de datos (DQI) ........................................................ 38 Tabla 2-2. Ponderación de indicadores de calidad de datos (DQI) ............................................... 38 Tabla 3-1. Balance de materia Reformado .................................................................................... 43 Tabla 3-2. Recursos fabricación de catalizador de NiO (Agarski et al., 2017). ............................ 44 Tabla 3-3. Modelado de proceso de recuperación de níquel. ........................................................ 44 Tabla 3-4. Caudal másico gases residuales/uf del PSA. ............................................................... 45 Tabla 3-5. Balance de masa en el WGS ........................................................................................ 45 Tabla 3-6. Fabricación catalizador de óxido de hierro .................................................................. 45 Tabla 3-7. Entradas catalizador de Hierro ..................................................................................... 46 Tabla 3-8. Modelo catalizador de Cobre y Zinc ............................................................................ 46 Tabla 3-9. Fabricación de catalizador de cobre y zinc (Li et al., 2017). ....................................... 46 Tabla 3-10. Especificaciones stacks Alcalinos (Krishnan et al., 2024) ........................................ 48 Tabla 3-11 Inventario BoP electrolizador Alcalino de 100 MW. ................................................. 49 Tabla 3-12. Especificaciones compresor ....................................................................................... 50 Tabla 3-13. Composición del stack Alcalino ................................................................................ 50 Tabla 3-14. Materiales BoP electrolizador Alcalino. .................................................................... 51 Tabla 3-15. Resumen de entradas Electrólisis (Uso) .................................................................... 51 Tabla 3-16. Entradas y salidas para el proceso de purificación .................................................... 52 Tabla 3-17. Parámetros generales planta electrólisis 10 MW. ...................................................... 53 Tabla 3-18. Especificaciones de diseño para electrolizador PEM de 1 MW ................................ 53 Tabla 3-19. Resumen componentes de un stack en un electrolizador tipo PEM .......................... 54 Tabla 3-20. Especificaciones compresor ....................................................................................... 55 Tabla 3-21. Materiales Celda PEM ............................................................................................... 56 Tabla 3-22. Especificaciones plato final para integrar stacks ....................................................... 57 Tabla 3-23. Materiales principales asumidos para BOP. .............................................................. 57 Tabla 3-24. Entradas proceso de electrólisis PEM ........................................................................ 58 Tabla 4-1. Evaluación de las Categorías de Impacto .................................................................... 60 Tabla 4-2. Resultados totales de la comparativa ........................................................................... 61 Tabla 4-3. Resultados desglosados por etapa ................................................................................ 61 Tabla 5-1. Comparación del impacto ambiental usando escala de valores ................................... 68 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2-1. Límites del sistema, de la puerta a la puerta ................................................................ 5 Figura 2-2. Alcance del modelo ...................................................................................................... 5 Figura 2-3. Límites del sistema para la producción de Hidrógeno por reformado ......................... 6 Figura 2-4 Límites del sistema para la producción de Hidrógeno por electrólisis ......................... 6 Figura 2-5. Electrolizador contenerizado ........................................................................................ 7 Figura 2-6. Balance de materia y energía pretratamiento de gas natural ........................................ 8 Figura 2-7 Diagrama de entradas y salidas Pretratamiento de gas natural ..................................... 9 Figura 2-8. Esquema Reformado de gas natural ............................................................................. 9 Figura 2-9. Fabricación catalizar basado en níquel ....................................................................... 10 Figura 2-10. Proceso de reciclado de catalizador NiO .................................................................. 10 Figura 2-11. Recuperación de níquel del catalizador de reformado ............................................. 11 Figura 2-12. Diagrama del proceso reformado ............................................................................. 11 Figura 2-13. Catalizador de óxido de hierro ................................................................................. 12 Figura 2-14. Catalizador de cobre y zinc ...................................................................................... 12 Figura 2-15. Diagrama del proceso WGS ..................................................................................... 13 Figura 2-16. Absorción post-combustión del CO2 ........................................................................ 13 Figura 2-17. Captura del CO2 postcombustión ............................................................................. 13 Figura 2-18. Esquema del proceso PSA ........................................................................................ 14 Figura 2-19. Diagrama del proceso de separación y purificación ................................................. 15 Figura 2-20. Diagrama Compresión para almacenamiento en tanques ........................................ 16 Figura 2-21. Diagrama de procesos hidrógeno producido por SMR/CCS ................................... 16 Figura 2-22. Ilustración celda electrólisis alcalina ........................................................................ 17 Figura 2-23. Ensamble de celdas en un ensamble alcalino ........................................................... 18 Figura 2-24. Diagrama fabricación de celdas y stacks alcalinos .................................................. 19 Figura 2-25. Esquema de balance de planta electrolizador alcalino ............................................. 20 Figura 2-26. Construcción de electrolizador Alcalino .................................................................. 20 Figura 2-27. Configuración de un módulo bipolar ....................................................................... 21 Figura 2-28. Electrólisis alcalina .................................................................................................. 23 Figura 2-29. Secador VPS sin calor de purga al vacío .................................................................. 24 Figura 2-30. Purificación de hidrógeno ........................................................................................ 24 Figura 2-31. Compresión de hidrógeno ........................................................................................ 25 Figura 2-32. Diagrama de procesos hidrógeno producido por electrólisis Alcalina ..................... 25 Figura 2-33. Celda electrólisis PEM ............................................................................................. 26 Figura 2-34. Configuración de una celda PEM, elaboración propia ............................................. 27 Figura 2-35. Conjunto membrana catalizadores (MEA) ............................................................... 27 Figura 2-36. Estructura química de la membrana PEM ................................................................ 28 Figura 2-37. Preparación de membrana MEA por método CCM ................................................. 29 Figura 2-38. Producción de PTL para el ánodo PEM ................................................................... 29 Figura 2-39. Estructura del stack PEM ......................................................................................... 31 Figura 2-40. Esquema de balance de planta PEM ........................................................................ 31 Figura 2-41. Construcción de electrolizador PEM........................................................................ 32 Figura 2-42. Compresión de H2 desde 30 bar a 200 bar en compresor de pistón ......................... 33 Figura 2-43. Procesos de Fin de Vida, Electrólisis ....................................................................... 34 Figura 2-44. Recuperación de PGM o Ni de celdas de electrólisis ............................................... 34 Figura 2-45. Diagrama de procesos hidrógeno producido por electrólisis PEM .......................... 35 Figura 5-1. Contribución a categorías de impacto de cada tecnología ......................................... 63 Figura 5-2. Gráfica de radar de valores normalizados por tecnología .......................................... 64 xix Figura 5-3. Impactos distribuidos por etapas de conversión, purificación y compresión ............. 65 Figura 5-4. Evaluación de categorías de impacto por etapas para SMR ....................................... 67 Figura 5-5. Evaluación de categorías de impacto por etapas para electrolizadores ALK ............. 67 Figura 5-6. Evaluación de categorías de impacto por etapas para electrolizadores PEM ............. 67 Notación A Amperes ACV Análisis de Ciclo de Vida AE Electrolito Alcalino ALK Electrolizador Alcalino AP Potencial de Acidificación Au Oro BOP Balance de Planta BPP Placa Bipolar BPs Placas Bipolares CA Corriente Alterna CC Corriente Continua CMS Tamices Moleculares de Carbón DQI Indicadores de Calidad de Datos EP Potencial de Eutrofización GW Calentamiento global GWP Potencial de Calentamiento Global HER Evolución de la Reacción de Hidrógeno HHV Poder Calorífico Superior J Joules KOH Hidróxido de Potasio MEA Conjunto de electrodo-membrana MEA Monoetanolamina N Número OER Evolución de la Reacción de Oxígeno P Potencia PCS Poder calorífico superior PED Demanda de Energía Primaria PEM Electrolizadores de membrana polimérica PFSA Ácido polisulfónico PGMs Materiales del Grupo del Platino POCP Potencial de Creación de Ozono Fotoquímico PSA Unidad de Adsorción de Oscilación a Presión PSU Unidad de suministro de Potencia Pt Platino PTL Capa Porosa de Transporte PVD Deposición física de vapor xxi SMR Reformado de Metano con Vapor SPE Electrolito Polimérico Sólido V Voltios VPS Pulverización de vacío por plasma WGS Reacción de Desplazamiento de Agua-gas 1 1 INTRODUCCIÓN n diversos círculos académicos y empresariales hay escepticismo en torno a la viabilidad de la transición energética, así como al rol del hidrógeno como vector energético en la meta de alcanzar la descarbonización completa del sector energético español para el año 2050. A pesar de que el concepto de transición energética ha resonado durante décadas, comenzó a crecer en las discusiones políticas y científicas junto con la urgencia de menguar el cambio climático. En 2015 con la firma del Acuerdo de París, las naciones del mundo se comprometieron a reducir las emisiones con el objetivo de limitar el aumento de la temperatura global. El Gobierno de España ha adoptado una posición proactiva al apostar por el hidrógeno renovable como componente crucial en la estrategia de transición energética hacia la descarbonización de la economía en 2050. El hidrógeno, como vector energético, puede la electricidad excedentaria de fuentes renovables, lo que posibilita una mayor penetración de energías limpias en el sistema eléctrico. La hoja de ruta trazada para el hidrógeno establece tres hitos a alcanzar en el horizonte temporal hasta 2050 (MITERD, 2020): • En la primera fase (2020-2024), se previó la instalación de al menos 6 GW de electrolizadores en la Unión Europea, junto con la producción de 1 millón de toneladas de hidrógeno renovable. • En la segunda fase (2025-2030), se plantea la instalación de al menos 40 GW de electrolizadores para 2030, con una producción proyectada de hasta 10 millones de toneladas de hidrógeno renovable en la Unión Europea. • La tercera fase (2030-2050) está destinada a la madurez y al despliegue a gran escala de las tecnologías de hidrógeno renovable. En este contexto de transformación tecnológica y cambio de paradigma, es notable que actualmente el 99% del hidrógeno consumido en España se obtiene a través del reformado de gas natural (SMR), lo que se conoce como hidrógeno gris o azul (cuando se integra con captura de CO2). Con esta premisa, el propósito fundamental de este trabajo radica en efectuar una comparación mediante un análisis de ciclo de vida, entre la producción de hidrógeno a través de la electrólisis del agua empleando los dos tipos predominantes de electrolizadores hasta la fecha (de membranas de intercambio de protones y Alcalinos), y la producción de hidrógeno mediante el reformado de gas natural. E "La tecnología es una herramienta poderosa que puede cambiar el mundo, pero solo si se desarrolla y se utiliza de manera responsable y ética. - Tim Cook - Introducción El objetivo primordial de este análisis reside en la identificación de etapas clave con un impacto sustancial, no solo en términos de emisiones de gases de efecto invernadero, sino también en aspectos cruciales como el consumo de agua, la escasez de recursos. Estos aspectos han sido hitos recurrentes en el análisis del impacto ambiental de las fuentes de energía renovable. En consecuencia, se busca que este estudio sirva como guía informada a investigadores, y público general al proporcionar una comprensión más profunda de las implicaciones ambientales en el desarrollo y la expansión de tecnologías que promuevan un futuro impulsado por el hidrógeno verde. Este análisis seguirá la metodología establecida por las normas ISO 14040/14044 para el análisis de ciclo de vida de productos, que comprenden la definición de objetivos y alcance, el análisis de inventario, la evaluación de impactos y la interpretación de resultados. 3 2 OBJETIVO Y ALCANCE n este capítulo, se delinea el objetivo y alcance específico del análisis de ciclo de vida comparativo para la producción de hidrógeno a través de tres vías distintas: el reformado con vapor (SMR), electrolizadores alcalinos (ALK) y los electrolizadores de membrana de intercambio de protones (PEM, por sus siglas en inglés). Desglosando los requisitos de la Norma ISO 14044. 2.1 Objetivo El objetivo de este análisis de ciclo de vida es evaluar el impacto ambiental de dos sistemas de producción de hidrógeno: las tecnologías de electrolizadores más prometedoras (Delpierre et al., 2021), de membrana de electrolito polimérico (PEM) y de electrolito alcalino (AE), en su estado actual de desarrollo, en comparación con el método de producción predominante en el mundo para generar hidrógeno, el reformado con vapor (IEA, 2022). El estudio se llevará a cabo siguiendo las directrices de las normas ISO 14040 y 14044, y el documento guía para el desarrollo de Análisis de Ciclo de Vida (ACV) en sistemas de producción de hidrógeno (Lozanovski et al., 2011). El propósito del estudio será: • Evaluar categorías de impacto clave, como el consumo de agua, utilizando la información más actualizada disponible para hacer una comparación específica de los sistemas de producción de hidrógeno más competitivos. • Contribuir al estado del arte de evaluación de impacto ambiental en la producción de hidrógeno considerando categorías de impacto interés general como el agotamiento de recursos en el desarrollo responsable de la tecnología (Köhler, 2013). Está orientado tanto a investigadores, así como al público en general interesado en la producción de hidrógeno y su impacto ambiental. 2.2 Definición de los sistemas a estudiar Según IRENA al final de 2021, casi el 47% de la producción global de hidrógeno provino de gas natural, 27% de carbón, 22% como subproducto de la industria del refino, y únicamente 4% de la electrólisis (IRENA, 2023). En este estudio, compararemos el reformado de metano con vapor y los sistemas de electrólisis de membrana de intercambio de protones y alcalinos, como procesos de producción de hidrógeno para su uso en celdas de combustible. 2.2.1 Definición sistema de reformado de metano con vapor La producción de hidrógeno se realiza en un reactor conocido como reformador. El reformado de gas natural es la descomposición de la molécula de metano para dar lugar a hidrógeno y óxidos de carbono (CO y CO2). Para que tenga lugar este proceso se requiere la combinación de tres condiciones: alta temperatura (700-1.100 °C), presencia de un catalizador (en base níquel), y presencia de un agente oxidante (agua y/o aire) (Guilera et al., 2020). E Objetivo y alcance 10 Por otro lado, se generan emisiones de CO2 (gas de escape) por la combustión del CH4 para alcanzar las altas temperaturas del reformado. El vapor se agrega en una relación vapor a carbono (V/C) 3:1 para favorecer el desplazamiento de la reacción hacia la formación de hidrógeno. Los catalizadores están basados en níquel soportados sobre materiales cerámicos y suelen incluir promotores para optimizar sus características. Por lo general, contienen un 15-25% de NiO sobre alúmina. El catalizador se prepara con níquel y ácido nítrico para formar el precursor de níquel, de nitrato de níquel, este disuelto en agua se impregna sobre el soporte de alúmina (óxido de aluminio), se seca y se calcina formando el óxido de níquel NiO (Agarski et al., 2017). El catalizador soportado se introduce en tubos dentro de la cámara de reformado. La vida útil del catalizador de reformado es de 6 años (Fouad & Gaber, 2019). Figura 2-9. Fabricación catalizar basado en níquel El catalizador se tritura y luego se calcina hasta obtener cenizas, las cuales son sometidas a un proceso de lixiviación con ácidos Figura 2-10. Este proceso se describe como un bucle cerrado, lo que significa que se reutilizan insumos (Yang et al., 2011). Figura 2-10. Proceso de reciclado de catalizador NiO 11 Comparación de sistemas de producción de hidrógeno mediante Steam Reforming, electrolizador tipo alcalino y electrolizador tipo PEM Figura 2-11. Recuperación de níquel del catalizador de reformado Durante el proceso de reformado con vapor, se genera vapor que se recicla para su uso en la misma instalación, lo que contribuye a optimizar el consumo de recursos. Además, para operar bombas y otros equipos auxiliares necesarios para el funcionamiento del sistema, se adquiere electricidad de la red (Spath & Mann, 2001). Figura 2-12. Diagrama del proceso reformado Una vez se consigue la mezcla de gas de síntesis (CO e H2) se pasa a la unidad de desplazamiento para convertir el monóxido de carbono (CO) a dióxido de carbono (CO2) e incrementar la cantidad de hidrógeno final (2-2) CO+H2O↔ CO2+H2 (2-2) El CO se convierte en H2 en la reacción de desplazamiento agua gas que tiene lugar en dos reactores, uno de alta temperatura y otro de baja temperatura. La reacción es exotérmica (H°r = - 41,1 kj/mol) y ocurre sobre la superficie de los catalizadores. En los dos ocurre la misma reacción entre el CO y vapor de agua para producir CO2 e H2. En el reactor a alta temperatura se usa un catalizador de hierro y se opera a temperaturas entre 320 °C a 450° C. En el reactor de baja temperatura se usan catalizadores basados en cobre y se opera a temperaturas entre en el rango 150 °C - 250 °C. La conversión de CO se favorece a bajas temperaturas, sin Objetivo y alcance 12 embargo, las altas temperaturas incrementan la velocidad de la reacción. La presión no afecta el equilibrio de la reacción, pero mejora la conversión (Baraj et al., 2020). Después de la salida del reactor de alta temperatura, el gas de síntesis todavía contiene algo de CO y H2O. Para eliminar aún más el CO y aumentar la concentración de H2 se lleva a cabo la reacción a baja temperatura. La reacción que ocurre es la misma, pero a menor velocidad. A la salida de este reactor, se espera que la concentración de H2 sea aún más alta que en el reactor de alta temperatura, generalmente alcanzando el 80% o más, dependiendo de las condiciones de operación. Se utiliza un catalizador de óxido de cobre y zinc. El vapor introducido a cada reactor debe estar a temperaturas cercanas a las del reactor. Además, el proceso se lleva a cabo a la misma presión del reformado. La fabricación de catalizador consiste en la mezcla de precursores del óxido de hierro como Fe2O3 y oxido de cromo Cr2O3 en proporción 85%-15%, respectivamente. Esta mezcla se peletiza y calcina a temperaturas alrededor de 400°C para estabilizar y activar el catalizador (Baraj et al., 2021). El catalizador basado en hierro puede usarse hasta 5 años, antes de requerir reemplazarlo por nuevo catalizador. Figura 2-13. Catalizador de óxido de hierro El catalizador de cobre y zinc se prepara a partir de sales de Cu, Zn, y Al en forma de nitratos, típicamente se prepara una solución con la composición atómica alrededor de 31% Cu, 19% Zn, 50 % Al. Esta solución se agrega a otra solución del mismo volumen de Na2CO3, se precipitan los carbonatos con NaOH y se seca a 373K por 24 horas (Li et al., 2017). Figura 2-14. Catalizador de cobre y zinc 13 Comparación de sistemas de producción de hidrógeno mediante Steam Reforming, electrolizador tipo alcalino y electrolizador tipo PEM Figura 2-15. Diagrama del proceso WGS Pueden producirse entre 9 y 11 toneladas de CO2 por tonelada de hidrogeno producido por lo que en este punto la composición de la corriente puede estar H2 (70-80%), CO2 (15-25%), CH4 (3- 6%), CO (0,5 – 3%), para separar el CO2 se puede instalar una unidad de captura post-combustión (CCS) por absorción química con MEA cuya descripción se explica en el Pretratamiento de gas natural, y que consiste en poner en contacto una solución comercial de aminas con el gas a baja temperatura para retener el dióxido de carbono en la solución. Una vez la solución está saturada, se incrementa la temperatura de la solución (120-160°C) para desorber el dióxido de carbono. De este modo, se obtienen dos corrientes: un gas limpio y una corriente de dióxido de carbono que puede ser comercializada (Figura 2-16, tomado de Guilera et al., 2020) La eficiencia de captura de las plantas de hidrógeno está alrededor del 90%. Para su comercialización, el dióxido de carbono debería ser acondicionado; es decir: limpiado, comprimido hasta 8Mpa y 31°C para su distribución por tuberas que es el mtodo ms consolidado de transportar el CO2 (Captura y Almacenamiento de CO2, n.d.). Tras la captura con MEA se obtienen riquezas cercanas al 96% (Sánchez, 2023). Figura 2-16. Absorción post-combustión del CO2 Figura 2-17. Captura del CO2 postcombustión Objetivo y alcance 14 En la Figura 2-17 se han limitado las entradas al proceso de absorción química con MEA a la energía consumida por el proceso ya que es varios ordenes de magnitud mayores a las demás entradas descritas en Figura 2-7 Diagrama de entradas y salidas Pretratamiento de gas natural 2.5.1.3 Purificación PSA La producción a gran escala de hidrógeno, con la pureza deseada, se realiza en unidades de adsorción por oscilación de presión (PSA) que operan a presiones de hasta 7 MPa utilizando el ciclo de Skarstrom (Krishna, 2020). En el sistema PSA, el hidrógeno con impurezas como nitrógeno, oxígeno, CO2, CO, y humedad, va pasando a través de columnas llenas de tamices moleculares de carbono (CMS), zeolitas o tamices moleculares. El principio básico radica en el uso de alta presión, a mayor presión, se adsorbe una mayor cantidad de gas (Kadam & Panwar, 2017). En el caso más simple Figura 2-18 los cuatro pasos en la secuencia son los siguientes: - Presurización (con alimentación o producto de refinado) - Separación por adsorción a alta presión con alimentación, con retirada del producto de refinado purificado. - Despresurización, o “blowdown”, en contra corriente a la alimentación - Desorción a la presión operativa más baja. Esto se logra mediante evacuación o purga del lecho con (una porción) del producto (hidrógeno). Comúnmente, la primera capa es de alúmina o sílice, que retiene el vapor de agua. Luego, se utiliza una capa de carbón activado para adsorber selectivamente el CO₂. La tarea principal de las capas de alúmina y carbón es evitar que el vapor de H₂O y el CO₂ lleguen a la capa de zeolita. La última capa es una zeolita intercambiada con cationes, con una capacidad mejorada para CO y N₂. Figura 2-18. Esquema del proceso PSA Los gases residuales son un subproducto del proceso, y suelen recircularse al reformador para optimizar la eficiencia del proceso ya que contiene una cantidad significativa de hidrógeno, pero requiere calentarse hasta 700° ya que el proceso de PSA suele hacerse a temperaturas entre 25 – 50°C. Ver resumen en la Figura 2-19. Otra parte puede quemarse para recuperar energía que puede ser usada para generar vapor. 15 Comparación de sistemas de producción de hidrógeno mediante Steam Reforming, electrolizador tipo alcalino y electrolizador tipo PEM El hidrógeno puro fluye hacia un tanque de acumulación donde se almacena temporalmente. Desde el tanque de acumulación, el hidrógeno purificado se presuriza y se usa para aumentar la presión en las columnas. Figura 2-19. Diagrama del proceso de separación y purificación Los compresores de gas utilizados para presurizar el hidrógeno antes y después del proceso de PSA son los principales consumidores de energía. La energía necesaria depende de la presión de operación y del volumen de gas que se debe comprimir, alrededor de 20 bar y descompresión en 3,5 bar fijándose esta ultima como la presión de salida (Ferraces Azcunaga & López Gestoso, 2016). Los tamices moleculares de carbono utilizados en el proceso PSA tienen una vida útil determinada y deben ser reemplazados periódicamente. El uso de lechos adsorbentes de 2 o 3 capas es otra característica importante de la tecnología de PSA empleada actualmente para la purificación de hidrógeno. Utiliza una capa de carbón activado (AC) para adsorber selectivamente CO2 y una capa es una zeolita intercambiada con cationes (como LTA-5A, con cationes extra-estructurales Na+ y Ca++, y NaX, también comúnmente denominada por su nombre comercial 13X, con cationes extra-estructurales Na+) con capacidad mejorada para CO y N2. 2.5.1.4 Compresión El almacenamiento de hidrógeno en tanques de alta presión es un proceso crucial que permite almacenar una mayor cantidad de hidrógeno en un volumen reducido, en planta esta presión de almacenado es 200 bar. Para este fin, se emplean compresores de pistón recíprocos, los cuales son los más comunes debido a su capacidad para alcanzar las altas presiones requeridas además de no requerir lubricación. El mecanismo de accionamiento, como un motor eléctrico, proporciona la potencia para comprimir el gas hidrógeno. Varias empresas producen estos sistemas de compresores, incluyendo Siemens Energy, Howden, Neuman & Esser Group y Pure Energy Centre. (Orlova et al., 2023). El hidrógeno es expulsado del cilindro hacia el tanque de almacenamiento liberando calor por la compresión. Objetivo y alcance 16 Figura 2-20. Diagrama Compresión para almacenamiento en tanques Al comprimir un gas, la temperatura aumenta debido al trabajo realizado sobre el gas. En la mayoría de los sistemas de enfriamiento utilizados en compresores y otros equipos industriales, el agua de enfriamiento se recircula. Para un compresor de pistón reciprocante de funcionamiento en seco, la rutina básica de mantenimiento incluye revisiones regulares y el reemplazo de componentes críticos como los anillos de pistón, anillos de soporte y anillos guía. Estas piezas están sujetas a desgaste debido a la fricción constante y la presión del gas. En la mayoría de los casos, los anillos de pistón en compresores de hidrógeno de funcionamiento en seco requieren ser reemplazados después de 4000 horas de operación, dependiendo de las condiciones específicas de operación, como la temperatura, presión y pureza del gas. Esto es típico de los anillos de pistón basados en PTFE, que se utilizan comúnmente en aplicaciones de hidrógeno debido a su baja fricción y resistencia a la fragilización por hidrógeno (Feistel, n.d.). Figura 2-21. Diagrama de procesos hidrógeno producido por SMR/CCS 17 Comparación de sistemas de producción de hidrógeno mediante Steam Reforming, electrolizador tipo alcalino y electrolizador tipo PEM 2.5.2 Electrólisis Alcalina Los electrolizadores alcalinos, son los más comunes en la actualidad debido a su rentabilidad económica y madurez tecnológica. Utilizan una disolución alcalina, generalmente de hidróxido de potasio (KOH), como electrolito para la conducción de iones. Esta tecnología se caracteriza por su baja densidad de corriente, lo que significa que produce una menor cantidad de hidrógeno por unidad de volumen del equipo (MITERD, 2020). Respecto al tamaño, la tecnología alcalina tiene una mayor madurez y una operación estable a potencia nominal a gran escala frente a los electrolizadores PEM (Matute Gomez et al., 2022). 2.5.2.1 Celda alcalina Se componen de dos electrodos (cátodo y ánodo) recubiertos con metales no nobles para facilitar las reacciones electroquímicas separados entre sí por una membrana o diafragma. Al aplicar una corriente continua a los electrodos, se genera hidrógeno en el cátodo y oxígeno en el ánodo (Figura 2-22, adaptado de (IRENA, 2020). Figura 2-22. Ilustración celda electrólisis alcalina Este dispositivo se sumerge en un electrolito líquido altamente concentrado, generalmente una solución de KOH (20-30 %p/p), con el propósito de maximizar la conductividad iónica. El gas hidrógeno evoluciona del cátodo, donde el agua se reduce, produciendo aniones hidróxido que circulan a través del diafragma hacia el ánodo dentro del campo eléctrico establecido por la fuente de alimentación externa. Los aniones hidróxido se recombinan en la superficie del ánodo (2-3) para producir oxígeno que burbujea hacia el colector de gas, liberando electrones que cierran el circuito eléctrico (Ursúa et al., 2011). 2OH−→1 2O2+H2O+2e− (2-3) En la superficie del ánodo, los aniones hidróxido se recombinan para generar oxígeno (2-4). H2O+2e−→H2+2OH− (2-4) El diafragma separa las zonas de reacción entre sí previniendo el mezclado de los gases producidos, siendo permeable a los iones acuosos pero impermeable a los gases, el más comúnmente conocido utiliza dióxido de circonio (ZrO2) sobre una base polimérica y se Objetivo y alcance 18 comercializa bajo el nombre de Zirfon™ (Agfa-Gevaert N.V.). Actualmente, Zirfon™ Perl UTP 500 es uno de los separadores más utilizados (Brauns et al., 2021). Los electrodos se ponen a cada lado del diafragma. La membrana y los electrodos juntos se denominan Conjunto de Electrodo de Membrana (MEA, por sus siglas en inglés). El ánodo es usualmente de níquel o de acero inoxidable cubierto con níquel, mientras el cátodo es de acero activado por una capa con diferentes catalizadores (Ramchandra Bhandari, 2014). Para el cátodo, los catalizadores de níquel alcanzan una alta estabilidad usando recubrimientos de materiales más activos como aluminio hierro y cobalto. Los catalizadores Raney-Níquel dopado con Fe, Cr, Mo, Sn y Co también presentan ventajas en comparación con electrodos solo de Ni (Antonio Valente, 2019). Los catalizadores son cargados sobre la superficie activa del electrodo en una cantidad que se mide en gramos por metro cuadrado (g/m²) o miligramos por centímetro cuadrado (mg/cm²). La celda puede degradarse debido a varios factores físicos, químicos y operativos que afectan la vida útil del sistema y el rendimiento para lo cual se requiere el uso de recubrimientos resistentes a la corrosión, y membranas de alta durabilidad como zirfon, agua con baja conductividad y sin impurezas. Cada celda tiene un empaque y sello de goma para evitar la fuga de gases, además de los Platos bipolares (BPP) en acero al carbono para separar celdas individuales en un conjunto y proporcionar conducción eléctrica entre las celdas (Figura 2-23, adaptado de Krishnan et al., 2023) Figura 2-23. Ensamble de celdas en un ensamble alcalino El electrodo posee una superficie que está en contacto directo con el electrolito y donde ocurren las reacciones electroquímicas. Esta área es crucial porque afecta directamente la eficiencia, la densidad de corriente de la celda y la producción de hidrógeno. Para un electrodo liso y plano, el área activa es simplemente la superficie geométrica Aactiva=ancho*alto. Una mayor área activa puede permitir la operación a densidades de corriente más bajas para la misma corriente total, lo que puede reducir el desgaste de los electrodos y mejorar la eficiencia. 19 Comparación de sistemas de producción de hidrógeno mediante Steam Reforming, electrolizador tipo alcalino y electrolizador tipo PEM 2.5.2.2 Integración de Stacks El stack está compuesto por varias celdas y se cierra con platos de acero inoxidable en los extremos, estos aplican presión sobre las celdas para mantener la estructura y evitar que los gases escapen de las celdas, asegurando una compresión uniforme sobre toda el área de la celda. Un electrolizador alcalino dependiendo de su potencia puede consistir en varios stacks de decenas de celdas cada uno (Koj JC, 2017) para lograr el área activa necesaria para la potencia del sistema. Figura 2-24. Diagrama fabricación de celdas y stacks alcalinos La Figura 2-24 resume el modelo para la fabricación de stacks. Un stack tiene un área activa igual a la suma de las áreas activas de todas las celdas individuales (N) en él. Si cada celda tiene un área activa Acelda, la del stack será: 𝐴𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 =𝑁×𝐴𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 (2-5) Se pueden acoplar más de 230 celdas por stack. El stack tiene tiempo de vida en el que es operativo y eficiente (Krishnan et al., 2023). 2.5.2.3 Ensamble del sistema y operación de la planta Consiste en integrar los stacks con todos los subsistemas necesarios para un correcto funcionamiento de una unidad o proceso. La Figura 2-25 muestra un esquema de la producción de hidrógeno usando electrolizadores alcalinos (Reyes, 2022). Los stacks se conectan a una fuente de energía la cual previamente ha sido convertida con un transformador. El H2 y el O2 salen mezclados con KOH por lo que se requiere una bomba de recirculación del KOH, y demisters para regular caudales de salida de gases, también se requiere un calentador para alcanzar la temperatura de operación del proceso. Una vez que se produce la separación del agua, el gas de hidrógeno y oxígeno, que pueden arrastrar pequeñas gotas de electrolito en forma de niebla, pasan a través de separadores de gas/líquido. El demister elimina las partículas más finas de niebla, asegurando que el gas salga lo más seco y puro posible. La solución de KOH que se separa se recircula, pasando por un filtro que elimina residuos de corrosión de los electrodos. La solución filtrada llega a un tanque de lejía donde se ajusta la concentración de electrolito y se enfría en un intercambiador de calor. Este proceso también permite la recuperación de energía térmica, antes de ser devuelta al sistema para su reutilización (Givirovskiy G, 2019). Objetivo y alcance 26 2.5.3 Electrólisis de intercambio de protones También conocida como electrólisis de electrolito de membrana polimérica (PEM), se diferencia de la electrólisis alcalina, por prescindir de electrolito líquido. En su lugar, utiliza una membrana de polímero hermética al gas. La membrana más comúnmente empleada es el producto comercial Nafion (Smolinka, 2015). La conexión de células individuales, formando stacks, se realiza exclusivamente en serie (electrolizador bipolar) (Figura 2-27). Debido a la falta de un electrolito líquido no requiere todo el equipo asociado al mismo (bombas, separación de gases, etc). Un electrolizador PEM permite un diseño de sistema más compacto. Su principal diferencia con la electrolisis alcalina es que se puede obtener el hidrógeno a altas presiones y con una mejor eficiencia ya que las celdas tienen mayor eficiencia y densidad de corriente. (Guilera et al., 2020). La pureza del hidrógeno obtenido suele superar el 99,999%, sin requerir equipos adicionales de purificación. 2.5.3.1 Fabricación de la celda PEM A nivel de celda, en el ánodo, el agua se somete a una oxidación que da lugar a la producción de oxígeno, electrones y protones (IRENA, 2020). Estos protones atraviesan la membrana, dirigiéndose hacia el cátodo, Los electrones salen del ánodo a través del circuito externo de energía, que proporciona la fuerza motriz (voltaje de la celda) para la reacción. En el lado del cátodo, los protones y electrones se recombinan para producir hidrógeno (Figura 2-33). . Figura 2-33. Celda electrólisis PEM Las reacciones que tienen lugar en el ánodo (2-14) y el cátodo (2-15) son: Las dos semiceldas están separadas por la PEM, que transporta protones durante la reacción y bloquea el paso del gas producido. Los catalizadores se aplican directamente sobre la membrana H2O→1 2O2+2H++2e− (2-14) 2H++2e−→H2 (2-15) 27 Comparación de sistemas de producción de hidrógeno mediante Steam Reforming, electrolizador tipo alcalino y electrolizador tipo PEM formando el componente clave de las celdas, es decir, la unidad de ensamblaje de membranaelectrodo (MEA). Dos capas de transporte poroso (también conocidas como GDL) están intercaladas a ambos lados de la MEA. Las placas bipolares (también conocidas como BPs) encapsulan las dos semiceldas, actuando como medio de transferencia de carga, masa y calor, y establecen el contacto con la fuente de alimentación externa. Los productos de hidrógeno y oxígeno pasan a través de la superficie del catalizador, la GDL y las BPs sucesivamente para salir de las celdas. Además, las semiceldas también deben complementarse con algunos elementos de sellado para evitar fugas de gas y agua (Figura 2-34). Figura 2-34. Configuración de una celda PEM, elaboración propia 2.5.3.1.1 MEA El MEA está compuesta por la membrana, la solución de ionómero y los electrocatalizadores del ánodo y cátodo, como se muestra en la Figura 2-35 (Technology - Hydron Energy, n.d.). La membrana es la columna vertebral de la celda PEM; La membrana tiene una columna vertebral hidrofóbica similar al Teflón y cadenas laterales hidrofílicas de ácido sulfónico. Dependiendo del peso equivalente (EW), la química y la longitud de la cadena lateral, los PFSA pueden dividirse en diferentes membranas, como nafion, aciplex, flemion, 3M y de cadena lateral corta (SSC). Entre ellas, las membranas de la serie nafion fabricadas por DuPont son una categoría representativa. Nafion 117, 115 y 112 son las membranas más utilizadas en esta serie, y los diferentes números representan diferentes pesos equivalentes y grosores. Las membranas más comúnmente utilizadas son las de polímero de ácido perfluorosulfónico, como Nafion® de un determinado espesor (Liang et al., 2022). Figura 2-35. Conjunto membrana catalizadores (MEA) Objetivo y alcance 28 La preparación de los electrodos de membrana también es una parte importante en la construcción de un electrolizador. La configuración más utilizada por los fabricantes para el MEA es la de membrana recubierta con catalizador (CCM) como se ve en la Figura 2-36. En el método CCM, una tinta de catalizador que contiene Nafion se extiende sobre un soporte de teflón y luego se transfiere a la membrana de intercambio protónico mediante prensado en caliente (Shiva Kumar & Himabindu, 2019). Figura 2-36. Estructura química de la membrana PEM La tinta de catalizador se prepara mezclando el catalizador dispersado sobre carbono negro en un determinado porcentaje, junto con Nafion solubilizado para proporcionar un contacto más íntimo entre la membrana de electrolito polimérico y los cúmulos de catalizador (Firtina et al., 2011). La tinta se mezcla puede mezclase con agua, alcohol isopropílico y propilenglicol para darle viscosidad y tensión a la mezcla (Kumar, 2022). Una estructura óptima de la capa catalítica debe contener una cantidad adecuada de cada material hasta una carga óptima dada en mg/cm2 sobre el área activa (Kumar, 2022). El método más utilizado para cubrir la membrana de ionómero con la tinta de catalizador es el método de recubrimiento por rodillo (Roll-to-Roll o R2R). Este método clasificado como un proceso de impresión 2D, aplica una capa continua de tinta de catalizador sobre la membrana de ionómero utilizando rodillos, lo que permite una producción en masa eficiente (J. Park, 2020). El consumo energético depende de la velocidad de impresión (m/min) y la tecnología de aplicación de tinta (spray coating, inkjet printing o screen printing) (Paixão da Costa et al., 2024). La Figura 2-37 muestra el modelo de la preparación de la MEA. La función de la MEA es formar una interfase de triple fase con una mayor área de reacción para el transporte de protones y electrones. Tradicionalmente como catalizadores se utilizan metales preciosos basados en óxidos de iridio y rutenio para el ánodo y platino para el cátodo, respectivamente (Mittelsteadt et al., 2015). En el proceso de CCM (Figura 2-37), la membrana de nafion se va desenrollando de un rollo en la impresora y se va aplicando hasta obtener la cantidad deseada de catalizador, después la membrana se seca y se cura térmicamente (Liang et al., 2022). 29 Comparación de sistemas de producción de hidrógeno mediante Steam Reforming, electrolizador tipo alcalino y electrolizador tipo PEM Figura 2-37. Preparación de membrana MEA por método CCM 2.5.3.1.2 Colectores de corriente o PTL o GDL La capa de difusión de gas (GDL) es un medio poroso ubicado entre la membrana de intercambio de protones (PEM) y las placas bipolares (BPs). Su función principal es proporcionar soporte mecánico a la membrana y facilitar el transporte eficiente de fluidos. La GDL generalmente está compuesta de materiales de carbono (como papel de carbono y tela de carbono) en el cátodo o materiales metálicos (como titanio y acero inoxidable). En el ánodo de la celda PEM, se utilizan formas porosas de titanio, como mallas, fieltros, espumas o polvos sinterizados, debido a su resistencia a la corrosión y alta conductividad eléctrica. El titanio, sin embargo, puede degradarse por pasivación de su superficie fragilización por el hidrógeno Figura 2-38. Por lo que para mitigar estos efectos y aumentar la durabilidad, las placas de titanio suelen recubrirse con metales preciosos, como Au o Pt, Este recubrimiento suele hacerse mediante procesos de deposición como sputtering, electrodeposición, o baño electrolítico (Caplinq, n.d.). Figura 2-38. Producción de PTL para el ánodo PEM 2.5.3.1.3 Platos bipolares Los platos bipolares (BPP) actúan como un puente eléctrico entre celdas adyacentes y ayudan a mantener la integridad del sistema eléctrico. Además, suministran y remueven reactivos (es decir, agua) y productos gaseosos (es decir, H2 y O2). Estas funciones deben mantenerse bajo condiciones de alta presión, oxidación (ánodo) y reducción (cátodo) en el entorno operativo de la celda electrolítica. Estas características requieren que los BPPs sean altamente conductivos, resistentes Objetivo y alcance 30 a la corrosión, impermeables, de bajo costo y con suficiente resistencia mecánica (Liang et al., 2022). Los BPPs son la base de las celdas de combustible, representan el 80% del peso de una celda de combustible. Los materiales actualmente utilizados se dividen en dos categorías: materiales metálicos recubiertos y materiales de grafito. Dependiendo de la selección de materiales, se pueden utilizar varios métodos de fabricación. Los métodos convencionales para fabricar BPPs metálicas incluyen forjado de metales en polvo, estampado e hidroformado, mientras que los métodos tradicionales utilizados para BPPs de grafito incluyen moldeo por compresión e inyección, directamente relacionados con la durabilidad del stack. El grafito es el material tradicional preferido para las BPPs debido a su excelente resistencia química y buena estabilidad térmica. Varios tipos de compuestos de grafito-polímero disponibles comercialmente consisten en termoplásticos como PP (polipropileno), sulfuro de polifenileno (PPS) y fluoruro de polivinilideno (PVDF). El grafito puro no es un material adecuado para la producción de BPPs, pero las propiedades deseadas del grafito pueden aprovecharse en combinación con otros aditivos como resinas poliméricas o rellenos de carbono para fabricar placas compuestas de grafito. En los compuestos de grafito-polímero, el polvo de grafito, el aglutinante polimérico y otros aditivos se mezclan y granulan continuamente. Debido al alto potencial del ánodo y la naturaleza ácida de la membrana de intercambio de protones los BPPs de titanio suelen recubrirse o usarse aleaciones para proteger las placas de titanio con metales preciosos o metales del grupo del platino. Dichos recubrimientos se realizan mediante pulverización por plasma en vacío (VPS) o por deposición física de vapor (PVD) (senzahydrogen, n.d.). Otro material para los BPPs metálicos es el acero inoxidable 304, este normalmente se recubre con un material protector contra la corrosión mediante deposición física de vapor (PVD). El stack de 1 kW (Tang et al., 2021). No se considera un proceso intensivo en energía. 2.5.3.1.4 Juntas de sellado Las juntas de sellado se ponen entre la MEA y las placas bipolares para garantizar el sellado y una presión adecuada. También se ponen juntas de sellado antes de los platos finales. Pueden ser de materiales como teflón, Viton, EPDM y goma de nitrilo, de diferente grosor y adaptado a la geometría de las celdas, los sellos suelen tener dimensiones que coinciden con el área periférica de la celda y los canales de flujo en las placas bipolares, con un grosor que varía según el material y las necesidades de compresión para asegurar un sellado hermético (Moreno Soriano et al., 2021). 2.5.3.2 Integración de Stacks PEM Para aumentar la tasa de producción de hidrógeno, varias celdas individuales se conectan eléctricamente en serie Figura 2-39 (IRENA, 2020). Las celdas están compuestas por el conjunto de electrodos y membrana (MEA, por sus siglas en inglés) sujetada entre las capas de transporte porosas (PTL) y las placas bipolares. Las celdas se unen para conseguir la potencia deseada. A ambos lados del stack se ponen sellos y se cierra con platos finales o platos de compresión, estos suelen ser de aleaciones de aluminio (senzahydrogen, n.d.). Los platos finales soportan la carga mecánica completa aplicada en la pila a través de pernos de sujeción y proporcionan una distribución uniforme y óptima de la presión entre los diversos componentes de la pila (Smolinka, 2015). 31 Comparación de sistemas de producción de hidrógeno mediante Steam Reforming, electrolizador tipo alcalino y electrolizador tipo PEM Figura 2-39. Estructura del stack PEM Un stack tiene un área activa igual a la suma de las áreas activas de todas las celdas individuales (N) en él. Si cada celda tiene un área activa Acelda (2-5), la del stack será: 𝐴𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 =𝑁×𝐴𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 (2-16) Se pueden ensamblar más de 150 celdas por stack (Krishnan et al., 2023). El stack tiene tiempo de vida en el que es operativo y eficiente. 2.5.3.3 Ensamble del sistema con los Stacks Cuando se suministra energía al stack, se generan gases de hidrógeno y oxígeno. El oxígeno se pasa a través de un separador de fase de O2, donde se separa y el agua se devuelve a la unidad de manejo de agua desionizada. Desde allí, utilizando una bomba de agua de baja presión, se inyecta agua desionizada en el stack (Figura 2-40). Figura 2-40. Esquema de balance de planta PEM En cuanto a la línea de hidrógeno, este se pasa a través de un separador de fase gaseosa de hidrógeno. El separador de fase gaseosa de H2 elimina el agua que es transportada durante el proceso de electrólisis. Desde el separador, el hidrógeno fluye hacia un demister, donde se eliminan las últimas trazas de humedad y a través de un intercambiador de calor, que enfría el gas antes de que llegue a una trampa de condensados, donde se elimina cualquier condensado residual. Posteriormente, el hidrógeno se dirige a un deoxidizer, que elimina cualquier traza de Objetivo y alcance 32 oxígeno. A continuación, el hidrógeno pasa por un secador de hidrógeno para garantizar su pureza. Su salida es regulada por una válvula de control (Reyes, 2022). A lo largo de toda la línea de hidrógeno, el agua residual se recoge y se reutiliza (Mittelsteadt, 2015). En resumen, el stack junto con los dispositivos del BoP forman el electrolizador Figura 2-41. Figura 2-41. Construcción de electrolizador PEM 2.5.3.4 Electrólisis Los módulos de los electrolizadores PEM tienen una configuración bipolar en la que la conexión eléctrica entre las celdas se realiza mediante placas bipolares, así que el voltaje del módulo Vm es igual a la suma de los voltajes conectados. La presencia de la membrana polimérica limita las temperaturas de electrólisis a valores generalmente por debajo de 80 °C debido al carácter compacto de los módulos de electrólisis, así como a las propiedades estructurales de los ensamblajes de electrodos de membrana (MEA), los cuales pueden soportar grandes diferencias de presión entre los compartimentos de los electrodos. La pureza del hidrógeno es superior a la de los electrolizadores alcalinos, es típicamente superior al 99.99% en volumen sin necesidad de equipo auxiliar en volumen sin necesidad de equipo auxiliar. La baja permeabilidad gaseosa de las membranas poliméricas reduce el riesgo de formación de mezclas inflamables; por lo tanto, es permisible operar a densidades de corriente muy bajas. Sin embargo, los electrolizadores PEM presentan una vida útil más corta que la tecnología alcalina (Ursúa et al., 2011). 2.5.3.5 Compresión La compresión se realiza en una sola etapa, desde la presión en la salida del electrolizador (30 bar) hasta 200 bar. Los compresores de diafragma se utilizan principalmente en la compresión de hidrógeno de alta pureza, y están dentro del grupo de compresores de desplazamiento positivo porque el gas se desplaza en una cámara. Ver 2.5.2.6. La Figura 2-43 describe el modelo. 33 Comparación de sistemas de producción de hidrógeno mediante Steam Reforming, electrolizador tipo alcalino y electrolizador tipo PEM Figura 2-42. Compresión de H2 desde 30 bar a 200 bar en compresor de pistón 2.6 FIN DE VIDA Para analizar el fin de vida de los electrolizadores, una aproximación sería tener en cuenta únicamente los materiales del grupo platino PGM por su relevancia económica y escasez, sin embargo, este estudio no cubre esta etapa porque habría que hacer una gran cantidad de suposiciones ya que la información encontrada de artículos científicos. Además de la ruta de procesos de fin de vida no se tienen datos. Los procesos usados para su recuperación son hidrometalúrgicos o pirohidrometalúrgicos (Valente et al., 2019). Los electrolizadores de agua alcalina son fiables y seguros, y presentan una vida útil que puede alcanzar hasta 15 años. La mayoría de los fabricantes producen módulos bipolares. Y el producto de mayor interés son los catalizadores Raney (basados en níquel) por su peligrosidad. El proceso hidrometalúrgico es el que tiene menor costo y requerimientos energéticos más favorables. En un escenario a corto plazo un gestor de residuos transportaría los stacks y realizaría la recuperación de materiales, de energía, y la disposición final. La Figura 2-43 muestra una adaptación de los procesos de fin de vida simplificada adaptada de Valente et al., 2019; en esta representación las líneas corresponden a proceso de transporte. El camino hidrometalúrgico implica la disolución de elementos objetivo a partir de matrices sólidas mediante ataques cáusticos o ácidos. Este paso generalmente es seguido por una separación a través de precipitación, extracción con disolventes, destilación, intercambio iónico, cementación o filtración. Requieren un pretratamiento mecánico para aumentar la superficie activa expuesta a los reactivos, un gran volumen de soluciones y la generación de aguas residuales, que pueden ser corrosivas y/o tóxicas. Por otro lado, para recuperar catalizadores de metales preciosos (PGM) se requieren proceso de pretratamiento, lixiviación, separación y purificación e involucrar subprocesos adicionales, como la regeneración de disolventes. La eficiencia de estos procesos determina la eficiencia de la recuperación. Los agentes de lixiviación más usados son ácidos fuertes y oxidantes como HCl mezclado con HNO3 en relación molar 3:1 para la recuperación de PGM de catalizadores. En el caso del Pt, se separa proceso de resina de intercambio aniónico seguido por desorción de la resina. Para precipitar platino en forma de (NH4)2PtCl6, la corriente rica en Pt proveniente del proceso de separación se trata con NH4Cl, se filtra y el Pt se recupera en forma sólida. Objetivo y alcance 34 Figura 2-43. Procesos de Fin de Vida, Electrólisis Se puede añadir un paso de ignición a 350 °C para obtener Pt de alta pureza (99.9%). Los resultados experimentales reportan una eficiencia de recuperación de Pt de hasta 76%. Este mismo (NH4)2PtCl6 se podría usar con polvo de carbono para generar nueva tinta de electrodos, al cambiar los agentes de lixiviación, esta familia de procesos podría utilizarse para la recuperación Raney- Ni y plata en los electrolizadores alcalinos (Valente et al., 2019). Un modelo del proceso de recuperación de Ni o PGM se resume en la Figura 2-44. Figura 2-44. Recuperación de PGM o Ni de celdas de electrólisis 35 Comparación de sistemas de producción de hidrógeno mediante Steam Reforming, electrolizador tipo alcalino y electrolizador tipo PEM Figura 2-45. Diagrama de procesos hidrógeno producido por electrólisis PEM 2.7 Procedimiento de asignación El oxígeno es un coproducto generado en el proceso de electrólisis., sin embargo, usualmente se ventila y no se utiliza más, por lo que el sistema no contiene ninguna multifuncionalidad. 2.8 Categorías de impacto y metodología de evaluación Las categorías de impacto proporcionan información para evaluar la magnitud y el significado de los posibles impactos ambientales. Traducen las entradas y salidas en indicadores de impacto relacionados con la salud humana, el entorno natural y la degradación de recursos. Una categoría de impacto es una clase que representa las consecuencias ambientales generadas por los procesos, y los métodos de evaluación del impacto ambiental se clasifican según el efecto último del impacto ambiental como de punto medio o de punto final. Las categorías de punto medio implican modelar el impacto utilizando un indicador a lo largo de los mecanismos, pero no hasta el resultado final. Algunos ejemplos incluyen el potencial de calentamiento global, el potencial de acidificación, el potencial de eutrofización, el potencial de formación de ozono fotoquímico, la toxicidad para los seres humanos, la radiación ionizante, la ecotoxicidad, el uso del suelo, la huella hídrica y el agotamiento de recursos (A. Lozanovsk, 2011). Por otro lado, los métodos de evaluación de punto final requieren modelar todo el camino hasta el impacto en la salud humana, el medio ambiente y las fuentes de recursos. Son más fácilmente comprendidos debido a su conexión con los aspectos de interés para la sociedad, pero suelen presentar una mayor incertidumbre en el modelado desde el punto medio hasta el punto final, lo que constituye su principal desventaja. Los métodos de punto medio están alineados con las políticas ambientales y pueden ser modeladas con mayor precisión. La metodología de impacto ambiental utilizada en este trabajo es ReCiPe, la cual se fundamenta en una estructura jerárquica de categorías de impacto y factores de caracterización. Cada categoría Análisis del inventario 42 - El compresor cuenta con cuatro etapas, cada una equipada con un pistón y dos anillos de PTFE por pistón. Se asume un diámetro típico de pistón de 200 mm, adecuado para caudales de aproximadamente 2000 m³/h. Se considera necesario reemplazar los anillos de pistón cada 10.000 horas de operación. - La recuperación de calor en todas las etapas del compresor se contabiliza, restándose al calor necesario para la producción de vapor en la industria química, lo que reduce la cantidad equivalente de energía requerida para producir 1 kg o 1 MJ de vapor empleado en varias etapas del modelo. - Los diafragmas de los compresores se consideran residuos no reciclables, por lo que se supone su disposición en vertederos de residuos materiales, dado que los desechos de PTFE no suelen reciclarse. - Se asume una vida útil de tres años para los tamices moleculares utilizados. - Se considera la recuperación de níquel (Ni) contenido en 1 kg de catalizador, cuya composición es de 100 g de Ni (10% en peso), mientras que el 90% restante son otros metales y soportes, asumidos como inertes durante el proceso de lixiviación. La lixiviación del níquel se realiza con una eficiencia del 95%, utilizando HCl en exceso y alcanzando una concentración final de 3 M en la solución lixiviada. Se asume que únicamente el níquel reacciona con el HCl. - El proceso de enriquecimiento de níquel se lleva a cabo mediante extracción por solventes, con una eficiencia de recuperación del 98%. Se considera un consumo de 0.1 kg de solvente orgánico por cada kg de catalizador procesado, sin reciclaje del solvente en este ejemplo simplificado. En la etapa de separación del ácido, se logra una eficiencia del 95%, con la suposición de que el ácido se recicla completamente para su reutilización en el proceso. - En la etapa final de electroobtención (EW), se supone una eficiencia del 98% para el níquel recuperado. Además, se utiliza agua en el proceso, con un consumo de 1 kg de agua por cada kg de catalizador para las etapas de lavado y dilución, asumiendo que el 50% del agua empleada se recicla. 3.1.2 Limitaciones - No se encuentran datos del consumo de los instrumentos de control por lo que no se incluye en el inventario. - Por falta de información del proceso industrial de fabricación de catalizadores, se modela la fabricación de 1 kg de catalizadores de WGS a escala de laboratorio, considerando calcinación o calentamiento en horno de capacidad 1L y potencia nominal 1,8 kW (HeraScientific, 2024). - En el proceso de WGS no se modela el tratamiento de los catalizadores una vez usados. - El PTFE del mantenimiento del compresor se supone que se debe tratar como un residuo peligroso que emite en su incineración controlada, no se encontró dentro de la base de datos el HF para modelar un proceso similar por lo que se usa un proceso genérico de incineración de residuos peligrosos. - Para el fin de vida del catalizador de níquel se tuvieron que hacer muchas suposiciones y cálculos que se enseñan en el anexo A. 3.1.3 Cálculos La muestra el balance de materia con las conversiones supuestas. 43 Comparación de sistemas de producción de hidrógeno mediante Steam Reforming, electrolizador tipo alcalino y electrolizador tipo PEM Tabla 3-1. Balance de materia Reformado entrada kmol/s WGS alta salida WGS baja kmol/s fraccion salida de WGS peso despues de WGS kg/s Despues de Captura kmol/s CO 0,132 0,0132 0,003 0,004 0,074 2,63,E-03 H2 0,395 0,5133 0,524 0,782 1,048 5,24,E-01 CO2 0,1185 0,129 0,192 5,676 1,29,E-02 CH4 0,015 0,022 0,234 1,46,E-02 Hidrógeno producido: 2*0,524 = 1,0477 kg/s Hidrógeno producido durante la vida de la planta: 𝐻2𝑘𝑔 𝑠×3600 𝑠× 8000ℎ×25 𝑎ñ𝑜𝑠=7,54∗108𝑘𝑔 𝐻2 3.1.3.1 Inventario para la etapa de Pretratamiento Gas natural 2,4 𝑘𝑔 × 1 𝑚3×1𝑠 𝑠 × 0,737 𝑘𝑔 × 1,0477 𝑘𝑔 𝐻2=3,11𝑚3 𝑢𝑓 (3-1) MEA: Para una vida útil de 2 años, se requieren 13 cargas de la amina, se usa el porcentaje 20% p/v de amina y el volumen del reactor para estimar la cantidad de amina usada durante toda la vida de la planta (3-2) 0,2×0,8503 𝑚3×1000𝐿 𝑚3×13 𝑘𝑔 𝐻2 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜𝑠 𝑑𝑢𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑡𝑜𝑑𝑎 𝑙𝑎 𝑣𝑖𝑑𝑎 (3-2) Energía (vapor): a partir del CO2 en el gas natural (3-3) (ver más en Anexo A) 1,78 𝑀𝐽 ×𝑘𝑔×0,057 𝑘𝑔 𝐶𝑂2 𝑘𝑔 𝐶𝑂2×2,75 𝑀𝐽 × 𝑘𝑔 𝐻2=3,70∗10−2 𝑘𝑔 𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟/𝑢𝑓 (3-3) Agua desionizada: Volumen de tanque de amina: 200L; Tipo de agua: desionizada. 200 𝐿 7,54∗108 𝑘𝑔𝐻 2=2,65∗10−7𝑘𝑔/𝑢𝑓 (3-4) Agua reposición: Se repone el 5% del volumen de agua cada hora 200𝑘𝑔×0,05×8000 ℎ× 25 𝑎ñ𝑜𝑠 7,54∗108𝑘𝑔 𝐻2=2,18∗10−3𝑘𝑔/𝑢𝑓 (3-5) Análisis del inventario 44 Corriente ácida (CO2): ver Anexo A. 3.1.3.2 Inventario para el Reformado Vapor de agua a 120 °C y 15 bar (2,40−0,060) 𝑘𝑔 𝐶𝐻4×1 𝑘𝑚𝑜𝑙 × 3 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐻2𝑂×18 𝐾𝑔 𝐻2𝑂 16 𝑘𝑔× 𝟏,𝟎𝟒𝟕𝟕 𝐤𝐠 =2,52 𝑘𝑔/𝑢𝑓 (3-6) Catalizador Ni reformado Carga de catalizador en el reformador: 4600 kg. 3 cargas de catalizador. 4600 𝑘𝑔 × 3 7,54∗108𝑘𝑔 𝐻2=1,79∗10−3 𝑘𝑔 𝑐𝑎𝑡/𝑢𝑓 (3-7) En la fabricación del catalizador de níquel se requieren las cantidades de la tabla por cada kilogramo de catalizar de NiO. Factor para convertir a unidad funcional: Cantidad/kg cat ×1,79∗10−3 𝑘𝑔 𝑐𝑎𝑡/𝑢𝑓 (3-8) Tabla 3-2. Recursos fabricación de catalizador de NiO (Agarski et al., 2017). Proceso Cantidad/kg cat Cantidad /uf Agua desionizada 444,12 kg 7,94x10-3 Oxido de aluminio 0,90 kg 1,61x10-5 Electricidad 625,84 kWh 1,12x10-2 Níquel 100 g 1,79x10-3 Ácido nítrico 60% 360 g 6,44x10-3 Recuperación de níquel Los valores se ajustan a la unidad funcional multiplicándolos por (3-8) Tabla 3-3. Modelado de proceso de recuperación de níquel. Categoría Parámetro Valor Entradas HCl (37%) 0.503 kg (50% en exceso) Solvente orgánico 0.1 kg Agua 1 kg Productos y Residuos Níquel recuperado 0.0866 kg Residuos sólidos 1 kg (0.9 kg catalizador, 0.1 kg solvente) Agua residual 0.5 kg Ácido reciclado (HCl al 37%) 0.168 kg Emisiones CO₂ 0.422 kg NOx 0.001 kg PM (partículas) 0.0005 kg 45 Comparación de sistemas de producción de hidrógeno mediante Steam Reforming, electrolizador tipo alcalino y electrolizador tipo PEM Calor para elevar temperatura Dado que una gran parte es aportada por el PSA, con el balance del PSA y la quema de gases producidos entre la producción de hidrógeno en el PSA (3777 kg). Tabla 3-4. Caudal másico gases residuales/uf del PSA. kg/s gases residuales PSA MJ/s kWh kgCO2/s CO 7,37,E-02 0,711 0,207 0,111 CO2 5,68,E-01 5,42,E-01 CH4 2,34,E-01 11,7 3,25 0,613 12,44 3,457 Total 9,95 12444 kWh 1,27 kg CO2/s 12444/3777 kg H2 por hora = 3,30 kWh/uf. Se restan a la suposición de 4kWh/kgH2. 4𝑘𝑊ℎ/𝑘𝑔𝐻2−3,30 𝑘𝑊ℎ/𝑢𝑓=0,70 𝑘𝑊ℎ/𝑢𝑓 (3-9) CO2 combustión 1,27/1,05kg 𝐻2=0,70 𝑘𝑊ℎ/𝑢𝑓 (3-10) 3.1.3.3 Inventario para el WGS Vapor de agua Es calculado del balance de materia. Vapor WGS alta: 3 x kmol CO. Vapor WGS baja: 2 x kmol CO. Tabla 3-5. Balance de masa en el WGS entrada kmol/s WGS alta salida WGS baja kmol/s salida CO 0,132 0,0132 0,003 H2 0,395 0,5133 0,524 CO2 0,1185 0,129 Vapor kmol/s 0,355 0,025 Vapor kg/s 6,87 𝑘𝑔𝑉𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑠× 1𝑠 1,05 𝑘𝑔 𝐻2=6,56 𝑘𝑔/𝑢𝑓 (3-11) Catalizador de óxido de hierro Tabla 3-6. Fabricación catalizador de óxido de hierro Parámetro Valor Cantidad de catalizador en el reactor 8600 kg Vida útil del catalizador 5 años Composición del catalizador 85% Fe₂O₃, 15% Cr₂O₃ Temperatura de calcinación 400 °C Tiempo de calcinación 2 horas Análisis del inventario 46 8600 𝑘𝑔 × 5 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑡𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜𝑟 7,54∗108𝑘𝑔 𝐻2=5,70∗10−5 𝑘𝑔𝑐𝑎𝑡/𝑢𝑓 (3-12) 1,8𝑘𝑊×2ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠=3,6𝑘𝑊ℎ/𝑘𝑔 𝑐𝑎𝑡 Tabla 3-7. Entradas catalizador de Hierro Proceso Cantidad/kg cat Cantidad /uf Óxido de Hierro 0,85 kg 4,84x10-5 Óxido de Cromo 0,15 kg 8,55x10-6 Energía calcinación 3,6 kWh 2,05x10-4 Al multiplicar cada cantidad por 5,70∗10−5 𝑘𝑔𝑐𝑎𝑡/𝑢𝑓, se obtienen las cantidades de la Tabla 3-7. Catalizador de cobre y zinc Tabla 3-8. Modelo catalizador de Cobre y Zinc Parámetro Valor Cantidad de catalizador en el reactor 9400 kg Vida útil del catalizador 5 años Composición del catalizador 31% Cu, 19% Zn, 50% Al Temperatura de secado del catalizador 373 K Tiempo de secado del catalizador 24 horas A partir de la composición y los pesos atómicos se haya el peso y el porcentaje de cada elemento. Luego tomando como base la preparación de 1 kg de catalizador se obtienen las cantidades de óxidos para conseguir estos porcentajes. A nivel industrial los catalizadores se preparan con óxidos por lo que se supone reemplazo de sales de nitrato por óxidos. La cantidad de NaOH por cálculo estequiométrico de la formación de hidróxidos de cada uno de los metales. Cálculo de catalizador por unidad funcional 9400 𝑘𝑔 × 5 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎𝑠 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑡𝑎𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜𝑟 7,54∗108𝑘𝑔 𝐻2=6,23∗10−5 𝑘𝑔𝑐𝑎𝑡/𝑢𝑓 Tabla 3-9. Fabricación de catalizador de cobre y zinc (Li et al., 2017). Proceso Cantidad/kg cat Cantidad /uf Óxido de cobre 540,65 g 3,37x10-2 Óxido de Zinc 338,99 g 2,11x10-2 Óxido de Aluminio 1117,67 g 6,96x10-2 NaOH 2192,37 g 1,37x10-1 Electricidad 43,2 kWh 2,69x10-3 47 Comparación de sistemas de producción de hidrógeno mediante Steam Reforming, electrolizador tipo alcalino y electrolizador tipo PEM 3.1.3.4 Inventario para la captura de CO2 Energía limpieza y comprimido 40kWh/tonCO2. Caudal de CO2 capturado (del balance de materia): 0129*90%=0,116kmol/s. 40𝑘𝑊ℎ×1𝑡𝑜𝑛×1𝑘𝑔×0,116𝑘𝑚𝑜𝑙×𝑠 1𝑡𝑜𝑛𝐶𝑂2×1000𝑘𝑔𝐶𝑂2×1𝑘𝑚𝑜𝑙×𝑠×1,047𝑘𝑔𝐻2=4,43∗103𝑘𝑊ℎ/𝑢𝑓 (3-13) CO2 al mercado 0,116𝑘𝑚𝑜𝑙×44𝑘𝑔𝐶𝑂2×𝑠 𝑠×1𝑘𝑚𝑜𝑙×1,047𝑘𝑔×𝐻2=4,88𝑘𝑔𝐶𝑂2/𝑢𝑓 (3-14) 3.1.3.5 Inventario para la purificación PSA Zeolita y Carbon activo Se supone recambio de tamices moleculares cada 3 años, por lo que durante toda la vida se harían 9 cargas de tamices moleculares y con las cantidades en PSA (Anexo a) 𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑡𝑎𝑚𝑖𝑧 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟× 9 𝑘𝑔 𝐻2 𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜𝑠 𝑑𝑢𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑡𝑜𝑑𝑎 𝑙𝑎 𝑣𝑖𝑑𝑎 (3-15) Energía Se supone que el 20% de la energía consumida por el PSA (5,19kWh) = 1,04. Para el inventario se restan directamente de la energía consumida. (5,19−1,04)𝑘𝑊ℎ/𝑘𝑔𝐻2=4,15𝑘𝑊ℎ/𝑘𝑔𝐻2 (3-16) Agua enfriamiento Caudal de agua que circula: 1157 m3/h. Pérdidas por evaporación: 2%. 1157 𝑚3+1157 𝑚3×0,02×25 × 8000 ℎ ℎ × 7,54∗108𝑘𝑔 𝐻2=6,13∗10−3 𝑚3/𝑢𝑓 (3-17) 3.1.3.6 Inventario compresión Electricidad compresión A partir del dato de potencia del compresor 2250 kW para Pentrada: 1 bar, Psalida:200 bar Pentrada real: 20 bar, P salida real: 200 bar, se realiza un ajuste Para ajustar la potencia del compresor en función de un cambio en la presión de entrada (de 1 bar a 20 bar), aplicando la relación entre la potencia (Anexo A), la presión de entrada y la presión de salida en la compresión de gases se llega al dato de consumo de 916 kW de potencia. Se disminuye el 20% del consume porque se supone que se recupera en forma de calor. Análisis del inventario 48 (916 𝑘𝑔𝐻2)−[(916 𝐾𝑔𝐻2)∗20%]=1,94∗10−1 𝑘𝑊ℎ/𝑢𝑓 (3-18) Anillos PTFE A partir de la densidad: 1,51 g/cm3 y el volumen del anillo en (Anexo A): 1,51 x 264 cm3= 0,399 kg. Si los anillos tienen una vida de 10000h, se necesitan 20 cambios. 20×0,399 𝑐𝑚3 7,54∗108𝑘𝑔 𝐻2=7,00∗10−6𝑘𝑔/𝑢𝑓 (3-19) 3.2 Electrólisis Alcalina Para realizar el inventario se parte del siguiente escenario: Tabla 3-10. Especificaciones stacks Alcalinos (Krishnan et al., 2024) Línea Base 2020 2030 Tamaño del Stack (MW) 2,2 20 No. de celdas 230 335 Superficie área activa (m2) 2,1 2,6 Densidad corriente (W/cm2) 0,5 2,3 Tiempo de vida años 8 8 Horas operativas carga total año (electricidad de la red) 161 161 Horas operativas a carga total (energía renovable) 4000 4000 - El sistema consume 100 MW. - Se modelan stacks de 2MW (2000kW). - El área de cada celda puede ser 2m2 (2x104cm2), cada celda produciría 10000 W (10kW) y se integrarían para formar stacks así: 𝑆𝑡𝑎𝑐𝑘𝑠=100𝑀𝑊 2𝑀𝑊 =50 𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘𝑠 𝐶𝑒𝑙𝑑𝑎𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘=2000𝑘𝑊 10𝑘𝑊 =200 𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎𝑠/𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 𝐶𝑒𝑙𝑑𝑎𝑠 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠=200×50=10000 𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎𝑠 - Para el tamaño de planta se selecciona un electrodo en el cátodo de una aleación de níquel molibdeno, de grosor entre 0,3 mm y densidad 500 g/m3 (Karacan et al., 2022). - Producción de todo el sistema 1900 kg/h(Electric Hydrogen, 2024). - El diafragma corresponde al producto comercial Zirfon Perl (Agfa, 2020). consiste en una tela de polifenilsulfuro PPS que está recubierta simétricamente con una mezcla de polisulfona (PSU) y dióxido de zirconio (ZrO2) en proporciones 80% ZrO2 y 20% PSU (Henkensmeier et al., 2024). - Como ánodo se utiliza niquel recocido, es decir se construye igual que el ánodo pero se recoce a 600°C durante 24 horas (Altinkaynak et al., n.d.). 49 Comparación de sistemas de producción de hidrógeno mediante Steam Reforming, electrolizador tipo alcalino y electrolizador tipo PEM - Se usan hojas de PTFE de 250 um alrededor del níquel y una hoja de 450 um alrededor del Zirfon. La densidad del PTFE es 2,2 g/cm3 (Karacan et al., 2022). - Los platos bipolares son de acero al carbono con recubrimiento de níquel de 200 um (Krishnan et al., 2024). - El sistema opera 4161 horas al año (Krishnan et al., 2024). - El tiempo de vida del stack es de 8 años (Krishnan et al., 2024). - El tiempo de vida del balance de planta es de 20 años (Minke et al., 2021). - El electrolizador consume 15 L de agua cada hora (Electric Hydrogen, 2024), y concentración óptima de KOH al 30% p/p (Brauns & Turek, 2020). - El hidrógeno abandona el electrolizador a una presión de 30 barg y pureza del 99,9% (Electric Hydrogen, 2024). - Se asume cambios del electrolito cada 2 años. Tamaño del tanque de almacenamiento para el sistema de 200 m3, y densidad de la solución alcalina al 30% de 1290 kg/m3. - El oxígeno no se tiene en cuenta en el inventario. - El sistema de purificación tiene como objetivo eliminar principalmente vapor de agua, oxígeno y nitrógeno, para lo cual se usan tamices moleculares en un sistema, continuo al electrolizador con un consumo de energía de 0,5kWh/kg H2 y una generación de gases residuales del 3,6% del caudal de alimentación (Ligen et al., 2020). - Dado que los gases residuales obtenidos del sistema VPSA son N2, O2 y vapor de agua, se considera que no representan impacto ambiental y no se cuantifican en el inventario. - El compresor de diafragma requiere cambios de diafragma y válvula cada 4000 h de operación. Tiene una vida de 20 años al igual que el electrolizador. - De acuerdo con el fabricante de compresores, los componentes críticos en el mantenimiento del compresor son el diafragma y la válvula, los cuales deben ser reemplzados cada 4000 h de uso (Minnuo Compressors, 2022). 3.2.1 Suposiciones - El balance de planta se va a resumir en cuatro (4) sistemas, sistema de suministro de energía, sistema de recirculación del electrolito, sistema de purificación de hidrógeno, sistema de monitoreo y seguridad. Las cantidades supuestas para un sistema de 100 MW se muestran en la Tabla 3-11. Tabla 3-11 Inventario BoP electrolizador Alcalino de 100 MW. Sistema BoP Materiales Partes Cantidades kg/BoP Sistema de Suministro de Energía Cobre Acero estructural Materiales plásticos Conductores Carcasa y soporte 20000 40000 5000 Sistema de Recirculación de Electrolito Acero inoxidable Plásticos resistentes a alcalis Tanques y tuberías Tanques y bombas 2500 1500 Sistema de Producción y Purificación de Hidrógeno Acero inoxidable Aleaciones Material absorbente Tanques y compresores Sistemas de alta presión Componentes del secado 35000 6000 4500 Seguridad y Monitoreo Acero inoxidable Componentes electrónicos y plásticos Sensores y válvulas Sistema de control 900 800 Análisis del inventario 50 - El caudal de 1900 kg/h de hidrógeno a 30 barg y 25°C equivale a 20635.24 Nm3/h. Una aproximación para cubrir este caudal seria usar 20 compresores, con lo que se necesitaría una potencia de 4000 kW aproximadamente (Minnuo Compressors, 2022). Tabla 3-12. Especificaciones compresor Modelo Presión succión MPa Presión Descarga Capacidad Nm3/h Potencia kW MN-GD6- 1000/20-180 2 18 Mpa 1000 185 - Se supone que para un compresor de 1000 Nm3/h de capacidad un valor de 5 válvulas DN 125 es plausible. - Se asume que el diafragma de cada compresor pesa 2 kg como estimación plausible, y que al ser un compresor de 2 etapas se requieren 2 diafragmas por compresor. 3.2.2 Limitaciones - No se ha tenido en cuenta la temperatura a la que ingresa el agua a los electrolizadores ya que se encuentra información de consumo de energía general para el electrolizador asumiéndose que esta ya ésta incluida. - No se encuentra el acero al carbono en la base de datos, en su lugar se elige una baja aleación de acero para los platos bipolares. - No hay estudios sobre la degradación de los lechos desecantes en la unidad VPSA de la purificación en electrolizadores alcalinos por lo que no se tiene en cuenta en el inventario por falta de datos. - El agua de enfriamiento consumida en la compresión del gas depende de características del compresor, pero un estimado podría estar entre 1,2 a 3,6 m3 por cada kg de hidrógeno comprimido y se asumen perdidas del 1% por arrastre o evaporación. No se consiguió información sobre la cantidad de agua consumida en fichas técnicas. - Se ha tomado del mercado electricidad de alto voltaje importada de Alemania que era la única disponible en Simapro, por lo que seguramente se tenga mayores impactos de los reales ya que no se está modelando una planta aquí al lado que es lo ideal de este planteamiento. 3.2.3 Cálculos 3.2.3.1 Inventario fabricación de celdas e integración de stacks La Tabla 3-13 resume los materiales y si esta corresponde a la celda o stack en el diseño del stack alcalino, en el Anexo A, están los cálculos detallados. Tabla 3-13. Composición del stack Alcalino Cátodo Diafragma Ánodo Sellos Platos bipolares Plato final 0,3 g 0,04 g 0,3 g 3080 g 6280 g 628 kg Aleación de Ni ZrO2 0,01 g PSU Ni recocido PTFE Acero al carbono Aluminio Celda Celda Celda Celda Celda Stack Energía recocido: 565 kJ/kg para producir 1 kg del material (Altinkaynak et al., n.d.). 51 Comparación de sistemas de producción de hidrógeno mediante Steam Reforming, electrolizador tipo alcalino y electrolizador tipo PEM Cálculos unidad funcional: 3 Cambios de stack en toda la vida del electrolizador se utilizan 50*3 stacks. Así para obtener la cantidad de cada material por unidad funcional se multiplica por la respectiva ecuación (3-20), (3-21) o (3-22). 𝐻2𝑡𝑜𝑑𝑎 𝑙𝑎 𝑣𝑖𝑑𝑎=4161 ℎ× 1900𝑘𝑔 ℎ×20 𝑎ñ𝑜𝑠=1,52∗108 𝑘𝑔 𝐻2 150 𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘𝑠 1,58∗108 𝑘𝑔 𝐻2=9,84∗10−7 𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘𝑠 𝑢𝑓 (3-20) 𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎 𝑢𝑓 =9,49∗10−7 𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘𝑠 𝑢𝑓 ×200 𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎𝑠 𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘 =1,97∗10−4 𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎𝑠 𝑢𝑓 (3-21) 9,49∗10−7 𝑠𝑡𝑎𝑐𝑘𝑠 𝑢𝑓 ×628=5,95∗10−4 𝑘𝑔 𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 𝑝𝑙𝑎𝑡𝑜 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑢𝑓 (3-22) 3.2.3.2 Inventario Ensamble del sistema con el balance de planta 𝐵𝑜𝑃 𝑢𝑓 =𝐵𝑜𝑃 20 𝑎ñ𝑜𝑠×4161 ℎ/𝑎ñ𝑜 × 1900 𝑘𝑔/ℎ =6,56∗10−9𝐵𝑜𝑃/𝑢𝑓 (3-23) Se resumen los materiales descritos en la Tabla 3-11 Inventario BoP electrolizador Alcalino de 100 MW. Multiplicando cada cantidad por (3-23) se halla la cantidad de materiales por unidad funcional. Tabla 3-14. Materiales BoP electrolizador Alcalino. Materiales BoP kg/BoP Peso kg/uf Cobre 20000 1,26x10-4 Acero inoxidable 40000 4,74x10-4 Plástico (PC) 5000 3,16x10-5 Plásticos resistentes a álcalis (Poliprolieno) 1500 9,49x10-6 Aleación de acero 6000 3,79x10-5 Material absorbente 4500 2,85 x10-5 Componentes electrónicos 800 5,06x10-6 3.2.3.3 Inventario electrólisis Tabla 3-15. Resumen de entradas Electrólisis (Uso) Parámetro Valor Consumo de agua 15 L/kg H₂ Producción de hidrógeno 1900 kg/hora Consumo total de agua 28.500 L/h (28,5 m³/h) Consumo de electricidad 100 MW/h Distribución de energía 4000 h (renovable), 161 h (red) Análisis del inventario 58 Tabla 3-24. Entradas proceso de electrólisis PEM Sistema Parámetros Valores Electrolizador 10 MW Entrada de energía (kW) 10000 Consumo de agua (kg/h) 1620 Producción de H2 (kg/h) 181,3 Horas de operación a carga completa (renovable) (h/año) 4000 Horas de operación a carga completa (red) (h/año) 85 Sistema de enfriamiento Flujo de agua (kg/h) 70800 Calor extraído en el circuito de enfriamiento (kW) 2827 Stack de 1 MW Tiempo de vida (años) 11 Energía eléctrica Al multiplicar cada porcentaje de energía por (3-34), se obtiene la energía por unidad funcional. 𝑀𝑊ℎ 𝑢𝑓 =10000 𝑘𝑊ℎ 181,3 𝑘𝑔𝐻2/ℎ=5,52∗101𝑀𝑊ℎ/𝑢𝑓 (3-31) Agua enfriamiento 70800 𝑘𝑔 𝐴𝑔𝑢𝑎/ℎ × 1% 181,3 𝑘𝑔 𝐻2/ℎ =3,91 𝑘𝑔 𝐴𝑔𝑢𝑎/𝑢𝑓 (3-32) Agua desionizada (electrólisis) 1620𝑘𝑔 𝐴𝑔𝑢𝑎/ℎ 181,3 𝑘𝑔 𝐻2/ℎ =8,94 𝑘𝑔 𝐴𝑔𝑢𝑎/𝑢𝑓 (3-33) 3.3.3.5 Inventario Compresión Energía de compresión Energía compresión de 30 a 200 bar: 370 kWh Horas de trabajo anual: 4085 Años de vida del sistema: 30 380 kWh × 4085×30 2,22∗107 𝑘𝑔 𝐻2=2,04 𝑘𝑊ℎ/𝑢𝑓 (3-34) Diafragma y válvula Cambios: 4085 x 30/4000 = 31 Compresores usados: 2 Masa de diafragma: 2 kg Masa de válvulas: 3 kg 31× 2 × 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 1 𝑝𝑖𝑒𝑧𝑎 𝐻2 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑡𝑜𝑑𝑎 𝑙𝑎 𝑣𝑖𝑑𝑎 (3-35) 59 4 EVALUACIÓN DEL IMPACTO ste estudio pretende comparar el impacto ambiental de tres métodos de producción de hidrógeno: electrólisis mediante membrana de electrolito polimérico (PEM), electrólisis con electrolito alcalino y reformado con vapor. Se evaluarán categorías de impacto clave, como el consumo de agua y el agotamiento de recursos, utilizando datos actualizados para los sistemas más competitivos (Delpierre et al., 2021). El sistema incluye las etapas de conversión, purificación y acondicionamiento, excluyendo la construcción y el fin de vida. La evaluación del impacto ambiental EICV incluye la recopilación de los resultados de indicadores para las diferentes categorías de impacto, que en conjunto representan el perfil de la evaluación del producto, en este caso 1 kg de H2 en puerta de planta, a 200 bar y 25°C, con una pureza del 99,97% (ISO 14687, 2019). Se sabe que el reformado (SMR) sigue siendo el método más utilizado para la producción de hidrógeno debido a su bajo costo en comparación con la electrólisis. Sin embargo, se reconoce que es necesario un avance tecnológico significativo para que el precio de la electrólisis se normalice y los electrolizadores puedan ser competitivos, tanto en términos de precio como en mejoras de impacto ambiental. El objetivo ideal es que los electrolizadores superen al SMR en todos los aspectos de impacto ambiental, no solo en trminos de menores emisiones de CO₂, sino tambin en una mejora general de sostenibilidad. 4.1 Selección de categorías de impacto El calentamiento global, por razones evidentes, junto con la toxicidad humana y la toxicidad a los ecosistemas, son categorías que habitualmente se analizan en los estudios de ACV sobre la producción de hidrógeno (Krishnan et al., 2024). Adicionalmente, se ha incluido la categoría de radiación ionizante para evaluar el impacto asociado al mix energético en el uso de los electrolizadores. Aunque esta categoría no suele reportarse en la mayoría de los estudios debido a su aparente falta de relación directa con el tema, una inspección preliminar de los resultados reveló un impacto significativo. Por ello, se considera importante incluirla en el análisis. Asimismo, se seleccionaron otras dos categorías de impacto clave que reflejan desafíos específicos de las tecnologías analizadas: Escasez de Recursos Minerales: Los electrolizadores enfrentan desafíos importantes debido al uso de metales del grupo del platino (PGM), lo que implica un trabajo por hacer para reducir su dependencia en estos materiales. Consumo de Agua: Existe la sospecha de que los electrolizadores podrían llegar a ser más intensivos en el uso de agua en comparación con el reformado, lo que representa un área clave de optimización. E Evaluación del Impacto 60 4.2 Metodología de evaluación del impacto Para llevar a cabo la evaluación de las categorías de impacto seleccionadas, se utilizó el método ReCiPe H en el nivel de punto medio, implementado a través del software SimaPro. Este método permite asignar automáticamente los resultados de los flujos de entrada y salida a las diferentes categorías de impacto, facilitando un análisis estructurado y conforme a los criterios de la norma ISO 14044. La evaluación considera las categorías de impacto previamente justificadas, complementadas con un análisis detallado que asegura la pertinencia de las mismas bajo estándares internacionales. En la Tabla 4-1 se presenta un resumen de las categorías de impacto evaluadas, incluyendo una descripción de cómo se agregan los resultados, posibles casos de doble contabilización, y la pertinencia ambiental de cada categoría. Estos criterios, definidos en el contexto de la norma ISO 14044, fueron seleccionados como relevantes para garantizar un análisis sólido y transparente. Tabla 4-1. Evaluación de las Categorías de Impacto Categoría de Impacto Suma de Impactos Doble Contabilización Pertinencia Ambiental Global Warming Los impactos se suman en trminos de kg CO₂ equivalente, considerando emisiones de gases de efecto invernadero (CO₂, CH₄, N₂O). No hay doble contabilización directa, ya que esta categoría es exclusiva de los gases de efecto invernadero. Altamente pertinente debido a la relevancia global de la crisis climática. Ionizing Radiation Evalúa el impacto acumulativo de fuentes de radiación en términos de kBq Co-60 equivalente. Puede haber solapamiento con categorías de salud humana, como Human Carcinogenic Toxicity. Pertinente para sistemas con exposición a radiación, como generación nuclear o manejo de residuos radiactivos. Terrestrial Ecotoxicity Agrega efectos tóxicos en ecosistemas terrestres por emisiones de metales pesados y pesticidas, expresados en CTUe (Comparative Toxic Unit). Posible solapamiento con otras toxicidades (acuática, humana), dependiendo de los flujos evaluados. Pertinente para proteger la biodiversidad y la salud de los ecosistemas terrestres. Human Carcinogenic Toxicity Mide el impacto acumulado de sustancias cancerígenas en términos de CTUh (Comparative Toxic Unit for Humans). Puede superponerse con Ionizing Radiation en aspectos relacionados con la salud humana. Altamente pertinente para la salud humana debido a su impacto directo en la calidad de vida y riesgos de salud. Mineral Resource Scarcity Calcula la contribución de la extracción de recursos minerales en términos de kg Cu equivalente, agregando múltiples flujos de extracción. No hay doble contabilización directa con otras categorías. Pertinente debido al agotamiento de recursos no renovables y su impacto económico y ambiental. 61 Comparación de sistemas de producción de hidrógeno mediante Steam Reforming, electrolizador tipo alcalino y electrolizador tipo PEM Categoría de Impacto Suma de Impactos Doble Contabilización Pertinencia Ambiental Water Consumption Evalúa el uso neto de agua en términos de m³ o m³ eq AWARE, considerando extracción y reposición. Puede haber solapamiento con eutrofización. Altamente pertinente, especialmente en áreas con estrés hídrico o competencia por recursos hídricos. 4.3 Resultados de caracterización en SimaPro La Tabla 4-2 resume el impacto total para cada categoría de impacto seleccionado, Por otra parte, la Tabla 4-3 muestra los impactos de cada categoría de impacto de forma independiente y por etapas. No se hace ninguna suposición sobre la importancia relativa de cada categoría. Tabla 4-2. Resultados totales de la comparativa Categoría de impacto Unidad H2 ALK H2 PEM H2 SMR Global warming kg CO2 eq 9,51,E-01 9,25,E-01 5,97,E+00 Ionizing radiation kBq Co-60 eq 1,06,E+00 6,74,E-01 1,19,E+00 Terrestrial ecotoxicity kg 1,4-DCB 4,46,E+00 7,85,E-01 6,20,E+00 Human carcinogenic toxicity kg 1,4-DCB 1,02,E-01 2,42,E-02 4,15,E-02 Mineral resource scarcity kg Cu eq 2,43,E-03 1,05,E-02 1,26,E-03 Water consumption m3 4,93,E-02 4,04,E-02 3,83,E-02 Tabla 4-3. Resultados desglosados por etapa Categorias De Impacto Caso Unidad Conversón Purificación Compresión Global warming SMR kg CO2 eq 4,50,E+00 1,45,E+00 2,03,E-02 Ionizing radiation SMR kBq Co-60 eq 2,26,E-01 9,23,E-01 4,42,E-02 Terrestrial ecotoxicity SMR kg 1,4-DCB 5,19,E+00 1,06,E+00 -4,92,E-02 Human carcinogenic toxicity SMR kg 1,4-DCB 2,45,E-02 1,60,E-02 9,76,E-04 Mineral resource scarcity SMR kg Cu eq 3,83,E-04 8,30,E-04 4,69,E-05 Water consumption SMR m3 4,93,E-03 1,78,E-02 1,56,E-02 Global warming ALK kg CO2 eq 4,33,E-01 9,58,E-02 4,21,E-01 Ionizing radiation ALK kBq Co-60 eq 4,64,E-01 1,11,E-01 4,86,E-01 Terrestrial ecotoxicity ALK kg 1,4-DCB 3,77,E+00 1,27,E-01 5,67,E-01 Human carcinogenic toxicity ALK kg 1,4-DCB 9,07,E-02 1,91,E-03 8,98,E-03 Mineral resource scarcity ALK kg Cu eq 1,88,E-03 9,98,E-05 4,48,E-04 Water consumption ALK m3 2,18,E-02 1,40,E-03 2,61,E-02 Evaluación del Impacto 62 Categorias De Impacto Caso Unidad Conversón Purificación Compresión Global warming PEM kg CO2 eq 3,94,E-01 0,00,E+00 5,31,E-01 Ionizing radiation PEM kBq Co-60 eq 2,45,E-01 0,00,E+00 4,29,E-01 Terrestrial ecotoxicity PEM kg 1,4-DCB 3,74,E-01 0,00,E+00 4,11,E-01 Human carcinogenic toxicity PEM kg 1,4-DCB 1,62,E-02 0,00,E+00 8,01,E-03 Mineral resource scarcity PEM kg Cu eq 1,01,E-02 0,00,E+00 3,99,E-04 Water consumption PEM m3 1,57,E-02 0,00,E+00 2,46,E-02 63 5 INTERPRETACIÓN DEL ACV a interpretación del estudio del Análisis de Ciclo de Vida (ACV) comprende tres aspectos principales: identificación de asuntos significativos, evaluación de la integridad y coherencia del análisis y finalmente conclusiones derivadas de la interpretación. Los resultados se interpretan en función de los objetivos y alcance definidos y deberían incluir un estudio de sensibilidad de entradas y salidas con el fin de estimar la incertidumbre de resultados para poder emitir algún juicio. Este trabajo académico ha sido construido simulando los procesos con información de referencia, así que puede tomarse como una guía para estudios más detallados, por lo que se estarán relacionando la evaluación de calidad de los datos para aspectos significativos. 5.1 Análisis de los asuntos significativos 5.1.1 Análisis por categorías de impacto La Figura 5-1 muestra que las categorías de impacto más significativas son calentamiento global y ecotoxicidad terrestre y radiación ionizante, lo cual se evidencia también en el gráfico de radar (Figura 5-2) que muestra que los impactos de las tres tecnologías de producción de hidrógeno se distribuyen ampliamente en estas tres categorías. Figura 5-1. Contribución a categorías de impacto de cada tecnología L Interpretación del ACV 64 Figura 5-2. Gráfica de radar de valores normalizados por tecnología SMR (Reformado de metano con vapor) • El impacto en el calentamiento global (GW) proviene principalmente de la producción de gas natural utilizado en el proceso. • La ecotoxicidad terrestre se debe al uso de vapor en el reformado, cuyo impacto está asociado a la producción y mercado de carbón. • El impacto en la radiación ionizante está relacionado con el consumo de electricidad en el proceso de purificación. En el mercado energético español, donde una proporción significativa proviene de energía nuclear, este impacto se atribuye al tratamiento de los residuos generados en el relave de minería de uranio. ALK (Electrólisis Alcalina) • El impacto en el calentamiento global (GW) se origina en la proporción de gas natural que alimenta el mix energético de España. • La ecotoxicidad terrestre proviene del proceso de refinamiento del hierro para producir el acero utilizado en las celdas, un proceso intensivo en el consumo de coque. • El impacto en la radiación ionizante está asociado nuevamente al mix energético español, con un porcentaje significativo de energía nuclear. Este impacto se relaciona con los residuos generados durante el tratamiento de relave de uranio. PEM (Electrólisis de membrana de intercambio de protones) • El impacto en GW se debe a los consumos de electricidad, y está a la producción de electricidad de alto voltaje y esta a su vez al gas natural usado en su producción en plantas de energía de ciclo combinado. • La ecotoxicidad terrestre proviene también del consumo de electricidad, que incluye la energía de media y alta tensión, con una proporción significativa generada por oil (petróleo). • El impacto en la radiación ionizante se debe al uso de electricidad en el mercado español, donde una parte considerable del mix energético proviene de energía nuclear. Esto genera un impacto asociado al tratamiento de los residuos en el relave de minería de uranio. 65 Comparación de sistemas de producción de hidrógeno mediante Steam Reforming, electrolizador tipo alcalino y electrolizador tipo PEM 5.2 Evaluación de resultados por etapas de producción o uso La Figura 5-3 muestra el aporte al impacto de cada etapa de producción, a la categoría, y también permite ver cuál de las tecnologías tiene mayor impacto en cada categoría. Se ha manejado la misma escala de colores que en el inventario y el esquema que define el alcance del sistema (Figura 2 2); azul: conversión, naranja: purificación, violeta: compresión. Las Figura 5-4, Figura 5-5 y Figura 5-6, la distribución de impactos en las categorías para cada tecnología de producción de hidrógeno, respectivamente. Figura 5-3. Impactos distribuidos por etapas de conversión, purificación y compresión 5.2.1 Calentamiento Global GW - El impacto del SMR es aproximadamente seis veces mayor que el de ALK o PEM. Solo la etapa de purificación en SMR supera el impacto total de todas las etapas combinadas en ALK o PEM. - Este impacto proviene principalmente del consumo energético para la purificación: 5,19 kWh/kg H₂ a la salida del PSA. - En las etapas de electrólisis y purificación, los impactos de ALK y PEM son muy similares. 5.2.2 Ecotoxicidad Terrestre - Los impactos en la etapa de conversión son comparables entre ALK y SMR. En el caso de SMR, esto se debe al uso de vapor en el proceso de reformado. Para ALK, el impacto proviene de la producción de acero para el Balance of Plant (BoP). - Una posible mejora para ALK sería implementar procesos de recuperación de acero o reducir su uso. En comparación, el BoP de PEM utiliza menos acero, ya que las celdas son más compactas. 5.2.3 Radiación ionizante - El impacto en SMR se origina principalmente en la etapa de purificación debido al alto consumo energético (5,19 kWh/kg H₂). Sin embargo, este dato tiene baja calidad, ya que Interpretación del ACV 66 la información disponible corresponde a un proceso diferente orientado a la separación de H₂, no a su purificación. Es posible que este valor est sobreestimado. - Además, debería ser menor o comparable al impacto de ALK, ya que el diseño del proceso incluye una unidad de captura de CO₂ antes del PSA, reduciendo significativamente el flujo y el consumo energético en esta etapa. Ignorando este dato anómalo, se observa que ALK tiene un mayor impacto en radiación ionizante porque PEM no requiere la etapa de purificación. - Respecto a la compresión, la calidad de los datos es insuficiente para realizar juicios concluyentes. En términos de electrólisis, el consumo energético de ALK es de 0,0525 MWh/uf, mientras que en PEM es de 0,054 MWh/uf. 5.2.4 Toxicidad humana carcinogénica - ALK tiene un impacto cinco veces mayor que PEM y 2,5 veces mayor que SMR. Esto se debe principalmente a la etapa de conversión, en particular al acero utilizado en las celdas y el BoP, cuyo impacto está relacionado con los siguientes procesos: Horno de arco eléctrico (Electric Arc Furnace, EAF): Este proceso es responsable de la mayor parte de las emisiones asociadas a la producción de acero debido a su alto consumo de energía eléctrica y al uso de materiales reciclados o ferroaleaciones. Aunque es más eficiente que los altos hornos tradicionales, sigue siendo intensivo en energía. Producción de ferromanganeso: El ferromanganeso, una ferroaleación utilizada para mejorar las propiedades mecánicas del acero, genera impactos significativos en categorías como calentamiento global y toxicidad humana. Su producción requiere la reducción de minerales de manganeso en hornos eléctricos, lo que consume grandes cantidades de energía y libera emisiones de CO₂ y otros contaminantes atmosfricos. 5.2.5 Escasez de recursos minerales - El impacto en la etapa de conversión (electrólisis) es aproximadamente cinco veces mayor en ALK y diez veces mayor en PEM, en comparación con SMR. Esto se debe al uso de rodio, que se incluyó en el inventario como sustituto del dióxido de iridio por sus propiedades similares. Ambos pertenecen al grupo de metales del platino, y su impacto proviene de los procesos de minería de PGM (Platinum Group Metals). 5.2.6 Consumo de agua - Los impactos en la etapa de compresión son similares entre las tecnologías, aunque los datos son de baja calidad. - En la etapa de conversión, el consumo de agua en los electrolizadores es comparable: 0,02 m³/kg H₂, siendo ligeramente inferior en PEM y superior en ALK. - PEM se beneficia al no requerir la etapa de purificación, evitando el agua necesaria para los sistemas de enfriamiento que sí son necesarios en ALK y SMR. - Aunque el consumo total de agua en el método tradicional de SMR es comparable al de PEM, en este estudio no se encontró información desagregada por etapas para SMR. Esto implica que el agua reportada como de "purificación" incluye tanto la conversión como la purificación. Al final, los múltiples procesos del reformado terminan consumiendo una cantidad de agua similar a la de un electrolizador PEM. 67 Comparación de sistemas de producción de hidrógeno mediante Steam Reforming, electrolizador tipo alcalino y electrolizador tipo PEM Figura 5-4. Evaluación de categorías de impacto por etapas para SMR Figura 5-5. Evaluación de categorías de impacto por etapas para electrolizadores ALK Figura 5-6. Evaluación de categorías de impacto por etapas para electrolizadores PEM Referencias 74 Tang, A., Crisci, L., Bonville, L., & Jankovic, J. (2021). An overview of bipolar plates in proton exchange membrane fuel cells. Journal of Renewable and Sustainable Energy, 13(2), 22701. https://doi.org/10.1063/5.0031447/15705258/022701_1_ACCEPTED_MANUSCRIPT.PDF Technology - Hydron Energy. (n.d.). Retrieved August 20, 2024, from https://hydronenergy.com/technology/ Ursúa, A., Gandía, L. M., & Sanchis, P. (2011). 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Sustainability, 14(8), 4730. https://doi.org/10.3390/su14084730 I ANEXOS ANEXO A. CÁLCULOS Cálculos adicionales reformado Solución de MEA Para caudal de gas natural: 2,4 kg/s; Concentración de amina: 20% Suposiciones: - Relación gas-liquido: Para procesos de absorción la relación entre el caudal másico de gas y el flujo másico de solución liquida de amina puede variar 1:1 a 1:5, se asume 1:3 como un valor razonable. - Tiempo de residencia: Suelen estar entre 1 y 3 minutos, se asume tiempo de residencia en el reactor de 2 minutos, 120 s para el cálculo. - Flujo de solución de amina: Para relación 1:3 entre gas y líquido, el flujo másico de amina será 3 × 2,4=7,2 𝑘𝑔/𝑠 - Volumen de la solución de amina: Usando la densidad, el flujo volumétrico de la solución de amina es: - (7,2𝑘𝑔/𝑠)/(1016𝑘𝑔/𝑚3)=0,0071 𝑚3/𝑠 - Volumen del tanque: - 𝑉𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎×𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎=0,0071 𝑚3𝑠 ⁄×120 𝑠=0,8503 𝑚3 Energía (vapor) Energía consumida: 1,78 MJ/kg CO2 Energía contenida en el vapor: 2,75 MJ/kg Suposición: 2,5% de CO2 en el gas natural 0,025 × 2,4 𝑘𝑔 × 𝑠 𝑠 × 𝟏,𝟎𝟒𝟕𝟕 𝐤𝐠 =0,057 𝑘𝑔 𝐶𝑂2 𝑘𝑔 𝐻2 Recuperación de Ni Cálculo del Níquel Recuperado Níquel lixiviado: 0.1 𝑘𝑔 𝑁𝑖×95%=0.095 𝑘𝑔 𝑁𝑖 Níquel después del enriquecimiento: II II 0.095 𝑘𝑔 𝑁𝑖×98%=0.0931 𝑘𝑔 𝑁𝑖 Níquel después de la separación del ácido: 0.0931 𝑘𝑔 𝑁𝑖×95%=0.0884 𝑘𝑔 𝑁𝑖𝑂 Níquel recuperado (Electrowinning - EW): 0.0884 𝑘𝑔 𝑁𝑖×98%=0.0866 𝑘𝑔 𝑁𝑖 (𝑎𝑝𝑟𝑜𝑥𝑖𝑚𝑎𝑑𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑒 86.6 𝑔) Cálculo de HCl Necesario para 1 kg de Catalizador Suposiciones: • La reacción qumica principal es: NiO+2HCl→NiCl2+H2O • Todo el níquel metálico se oxida primero a NiO antes de reaccionar con el HCl. Cantidad estequiométrica de HCl al 100%: 0.1 𝑘𝑔 𝑁𝑖×(2 𝑚𝑜𝑙 𝐻𝐶𝑙/1 𝑚𝑜𝑙 𝑁𝑖)×(36.5 𝑔 𝐻𝐶𝑙/𝑚𝑜𝑙) (58.7 𝑔 𝑁𝑖/𝑚𝑜𝑙) =0.124 𝑘𝑔 𝐻𝐶𝑙 (100%) Conversión a HCl al 37%: 0.124 kg0.37≈0.335 kg HCl (37%) PSA El caudal de alimentación al PSA es de 0,554 kmol/s: 2.63x10-3 kmol/s CO, 5,21x10-1 kmol/s H2, 1,29x10-2 kmol/s CO2 y 1,46 x10-2 kmol/s CH4. Cálculo de la cantidad de adsorbentes requeridos: El CO se absorberá con la zeolita, para absorción de 2 mol CO/kg de zeolita: 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑧𝑒𝑜𝑙𝑖𝑡𝑎=2.63x10−3 kmol CO×1000×𝑘𝑔 𝑍𝑒𝑜𝑙𝑖𝑡𝑎 𝑠×2𝑚𝑜𝑙𝐶𝑂 =1,32 𝑘𝑔 De igual forma, para el carbón activado, este absorbe 2 mol CO2/kg de carbón activado, requiriéndose 2,63 kg, y 5 mmol CH4/g de carbón. 𝐶𝑎𝑟𝑏ó𝑛 𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎𝑑𝑜=1,29x10−2 kmol CO2×1000×𝑘𝑔 𝑐𝑎𝑟𝑏ó𝑛 𝑠×2𝑚𝑜𝑙𝐶𝑂2=6,45 𝑘𝑔 𝐶𝑎𝑟𝑏ó𝑛 𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎𝑑𝑜=1,46x10−2 kmol CH4×1∗106𝑚𝑚𝑜𝑙× 𝑔 𝑐𝑎𝑟𝑏ó𝑛 × 1𝑘𝑔 𝑠×5𝑚𝑚𝑜𝑙𝐶𝐻4×1000 𝑔 =2,92 𝑘𝑔 𝑀𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑏ó𝑛 𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎𝑑𝑜=6,45+2,92=9,38 𝑘𝑔 Electricidad compresión Potencia de compresor: 2250 kW para Pentrada: 1 bar, Psalida:200 bar Pentrada real: 20 bar, P salida real: 200 bar. Razon de compresión original CR original III Anexo A. Cálculos 𝑃𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 =200 1=200 Nueva relación de compresión CR nueva 𝑃𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎,𝑛𝑢𝑒𝑣𝑎 =200 20 =10 Ajuste de potencia La potencia ideal puede aproximarse proporcionalmente a la potencia del compresor P para un gas ideal puede aproximarse como proporcional a la relación de compresión elevada a una potencia n, comúnmente entre 0.3 y 0.5 para compresores comunes. Asumiendo un exponente n = 0.3 (común en ajustes de compresión isentrópica): 𝑃𝑛𝑢𝑒𝑣𝑎 =𝑃𝑜𝑟𝑖𝑔𝑖𝑛𝑎𝑙 ×( 𝐶𝑅𝑛𝑢𝑒𝑣𝑎 𝐶𝑅𝑜𝑟𝑖𝑔𝑖𝑛𝑎𝑙)𝑛 Calculo de la nueva potencia: 𝑃𝑛𝑢𝑒𝑣𝑎 =2250×(10 200)0,3 =916 𝑘𝑊 Volumen de un anillo de PTFE El volumen de cada anillo se puede aproximar como el volumen de un cilindro hueco. Vanillo=π⋅(rexterno2−rinterno2)⋅h Diámetro del pistón (interno del anillo): 200 mm ⟹ rinterno=100 mm Grosor del anillo en el radio: 10 mm ⟹ rexterno=110 mm Altura del anillo: 5 mm Vanillo= π ⋅ 2100⋅5≈33000mm3=33cm3 Si cada pistón tiene 2 anillos y hay 4 pistones, el volumen total de PTFE usado en los anillos sería: 𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙=33𝑐𝑚3⋅2𝑎𝑛𝑖𝑙𝑙𝑜𝑠/𝑝𝑖𝑠𝑡ó𝑛⋅4𝑝𝑖𝑠𝑡𝑜𝑛𝑒𝑠=264𝑐𝑚3 Cálculos adicionales electrólisis alcalina Fabricación de celdas Cátodo Dimensiones del cátodo: 2m2*0,3x10-3m = 6x10-4m3 Densidad: 500 g/m3 Masa del cátodo: 0,3 g Diafragma IV IV Densidad: 1g/cm2 Grosor: 0,5 mm Masa: 0,05g Masa ZrO2=0,04 g Masa PSU= 0,01 g Ánodo Energía recocido: 565 kJ/kg para producir 1 kg del material (Altinkaynak et al., n.d.) Masa del ánodo: 0,3 g Energía celda: 565kJ/kg* 0,3x10-3 kg =0,167 kJ Gas natural: 36MJ/m3 0,167∗10−3𝑀𝐽×𝑚3 36𝑀𝐽 =4,71∗10−3𝑚3 Sello y empaques Densidad PTFE: 2,2 g/cm3 Área: 2m2 Grosor: 0,7 mm (0,45+0,25) Volumen: 2m2*0,7x10-3m = 1,4x10-3m3 1,4∗10−3𝑚3× 2,2 ∗ 106 𝑔 𝑚3=3080 𝑔 Platos bipolares Material: acero al carbono Cantidad: 2/celda Área: 2m2 Grosor: 0,2 mm Volumen: 2m2*0,2x10-3m = 0,4x10-3 m3 Densidad: 7,85 g/cm3 Masa/BPP: 3140 g Masa celda: 6280 g Platos finales Material: Aluminio Cantidad: 2/stack Área: 2m2 Suposición: grosor del plato es de 20 mm Volumen: 2m2*0,02m = 0,04 m3 Masa plato: 314 kg Masa platos/stack: 628 kg Electrólisis KOH: 30% p/p Volumen de tanque: 200 m3 Densidad de solución KOH 30%: 1290 kg/m3 Masa solución KOH 30% = 1290 kg/m3 x 200 m3 = 38700 kg Masa KOH = 0,3 x 38700 kg = 11610 kg V Anexo A. Cálculos Cálculos adicionales Electrólisis PEM Tabla A-1. Fabricación MEA en la celda PEM Parámetro Valor Área de celda 87.700 mm² (250 mm x 350,8 mm) Longitud de recubrimiento 350,8 mm Velocidad de recubrimiento 750 mm/minuto Tiempo de recubrimiento 0,468 minutos ≈ 7,80 × 10⁻³ h/celda Energía recubrimiento 2,34 × 10⁻² kWh/celda Volumen de Nafion 15,8 cm³ Masa de Nafion 31,6 g Tabla A-2. Especificaciones ánodo Descripción Valor Material del ánodo Titanio en polvo Forma Lminas de 250 μm de grosor Porosidad 30% Densidad (sin porosidad) 4,51 g/cm³ Densidad efectiva (con porosidad) 3,16 g/cm³ Área de la lámina 877 cm² Grosor de la lámina 0,025 cm Volumen del titanio 21,925 cm³ Masa del titanio 69,22 g Masa por celda 138,44 g Energía del sinterizado: 5 kWh/kg x 0,0692 kg = 0,3461 kWh Tabla A-3. Especificaciones de los sellos Parámetro Valor Área externa 936,36 cm² Área interna 877 cm² Área del marco 60,2 cm² Material Termoplástico fenilsulfuro Densidad 1,3 g/cm³ Volumen de PPS 5,418 cm³ Masa del marco 7,043 g Masa total en la celda 14,086 g VI VI Recomendaciones para Inventarios Fin de vida Las acciones relacionadas con el fin de vida de los materiales críticos son de vital importancia, tal como señala (Stropnik et al., 2019) A medida que se disponga de más datos, se sugiere priorizar un enfoque en este aspecto, considerando que las acciones de desmantelamiento, como el reciclaje, presentan un impacto ambiental reducido al compensar los materiales recuperados en la etapa de fabricación. Se propone prestar especial atención a materiales como el iridio (Ir), Nafion (por su peligrosidad), y titanio (Ti), cuyos porcentajes de recuperación pueden ser significativos. Por ejemplo, estudios como los de (Graedel et al., n.d.). reportan tasas de reciclado del 50% para el Ir, 90% para el platino (Pt), y 91% para el Ti, mientras que el aluminio alcanza un 96%, el acero un 84%, y plásticos como PP y HDPE también logran un 84%. Se recomienda un enfoque sistemático en el reciclaje de los PGMs (metales del grupo del platino), priorizando el desarrollo de procesos integrales que permitan recuperar tanto los metales preciosos como otros materiales del MEA (membrana-electrodo ensamblado). Por ejemplo, (Yakoumis et al., 2020) proponen un método eficiente que, mediante reactivos de baja acidez y temperaturas suaves (70 °C), permite recuperar el 100% del platino utilizando reactivos como HCl (37%), NaCl (4.5 M), y H2O2 (1% v/v), siguiendo principios de química verde. Este método también puede aplicarse para recuperar el platino de los platos bipolares, con una eficiencia estimada del 90%. A futuro, se recomienda estimar de manera más precisa los insumos y residuos generados por este proceso. Por ejemplo, con base en la masa del MEA y el número total de celdas (252*2*3), podría calcularse la cantidad de agua residual y reactivos necesarios, considerando un factor S/L del 70%. Además, es relevante explorar métodos adicionales como el de (Xu et al., 2010) que no solo permiten recuperar el 90% del platino, sino también regenerar la membrana de Nafion en su totalidad, lo que abre posibilidades para su reutilización. Sin embargo, una limitación actual es la falta de información sobre procesos de recuperación del iridio. Se recomienda realizar investigaciones adicionales en este ámbito para diseñar estrategias más completas de reciclaje. vii ANEXO B. INVENTARIOS Tabla B1. Inventario SMR (Reformado de metano con vapor) Item Nombre Tipo Sección Sub-sección Referencia datos Valor Unid. Por u.f. Unid. 1 Niquel (cátodo) Entrada Conversión (electrólisis) Fabricación de celdas (Karacan et al., 2022). Tabla (3-13) 3.00.E-01 g/celda 5.90.E-05 g/uf 2 ZrO2 (diafragma) Entrada Conversión (electrólisis) Fabricación de celdas Agfa, 2020. Tabla (3- 13) 4.00.E-02 g/celda 7.87.E-06 g/uf 3 Polisulfona (diafragma) Entrada Conversión (electrólisis) Fabricación de celdas Henkensmeier et al., 2024. Tabla (3-13) 1.00.E-02 g/celda 1.97.E-06 g/uf 4 Energía recocido (gas natural) (ánodo) Entrada Conversión (electrólisis) Fabricación de celdas (Altinkaynak et al., n.d.). Tabla (3-13) 5.65.E+02 kJ/kg 9.27.E-07 m3/uf 5 Niquel (ánodo) Salida Conversión (electrólisis) Fabricación de celdas (Karacan et al., 2022). Tabla (3-13) 3.00.E-01 g/celda 5.90.E-05 g/uf 6 Sellos y juntas (PTFE) Salida Conversión (electrólisis) Fabricación de celdas (Karacan et al., 2022). Tabla (3-13) 3.08.E+03 g/celda 6.06.E-01 g/uf 7 Platos bipolares (acero al carbono) Entrada Conversión (electrólisis) Fabricación de celdas (Krishnan et al., 2024). Tabla (3-13) 6.28.E+03 g/celda 1.24.E+00 g/uf 8 Platos finales (acero al carbono) Entrada Conversión (electrólisis) Integración de stacks (Krishnan et al., 2024). Tabla (3-13) 6.28.E+02 kg/stack 1.24.E-03 kg/uf 9 Cobre Entrada Conversión (electrólisis) Ensamble con BoP Autor. Tabla (3-14) 2.00.E+04 kg/BoP 1.31.E-04 kg/uf 10 Acero Entrada Conversión (electrólisis) Ensamble con BoP Autor. Tabla (3-14) 7.50.E+04 kg/BoP 4.92.E-04 kg/uf viii viii Anexo B. Inventarios Item Nombre Tipo Sección Sub-sección Referencia datos Valor Unid. Por u.f. Unid. 11 Materiales plásticos Entrada Conversión (electrólisis) Ensamble con BoP Autor. Tabla (3-14) 5.00.E+03 kg/BoP 3.28.E-05 kg/uf 12 Plásticos Entrada Conversión (electrólisis) Ensamble con BoP Autor. Tabla (3-14) 1.50.E+03 kg/BoP 9.84.E-06 kg/uf 13 Aleacion de acero Entrada Conversión (electrólisis) Ensamble con BoP Autor. Tabla (3-14) 6.00.E+03 kg/BoP 3.94.E-05 kg/uf 14 Material absorbente Entrada Conversión (electrólisis) Ensamble con BoP Autor. Tabla (3-14) 4.50.E+03 kg/BoP 2.95.E-05 kg/uf 15 componentes electronicos Entrada Conversión (electrólisis) Ensamble con BoP Autor. Tabla (3-14) 8.00.E+02 kg/BoP 5.25.E-06 kg/uf 16 Agua desionizada Entrada Conversión (electrólisis) Electrólisis Electric Hydrogen, 2024 1.50.E+01 L/kg H2 1.50.E+01 kg/uf 17 Energía eléctrica (renovable) Entrada Conversión (electrólisis) Electrólisis (Krishnan et al., 2024). Ecuación (3-24) 96 %Energía 5.25.E-02 MWh/uf 18 Energía eléctrica (de la red) Entrada Conversión (electrólisis) Electrólisis (Krishnan et al., 2024). Ecuación (3-24) 4 %Energía 2.11.E-03 MWh/uf 19 KOH Entrada Conversión (electrólisis) Electrólisis Brauns & Turek, 2020. Ecuación (3-25) 1.16.E+04 kg KOH/sistema 7.62.E-04 kg/uf 20 Energía Entrada Purificación Ligen et al., 2020 5.00.E-01 kWh/kgH2 5.00.E- 01 kWh/kgH2 21 Gases residuales VPSA (N2,O2,H2O) Salida Purificación Ligen et al., 2020. Ecuación (3-26) 6.84.E+01 kg/h 3.73.E-02 kg/uf 22 Energía compresión Entrada Compresión Minnuo Compressors., 2022. Ecuación (3-27) 4.00.E+03 kW 2.18.E+00 kWh/uf ix Item Nombre Tipo Sección Sub-sección Referencia datos Valor Unid. Por u.f. Unid. 23 Agua enfriamiento Entrada Compresión Suposición 2.00.E+00 m3/h 2.00.E+01 kg/uf 24 Valvula DN 125 Entrada Compresión Mantenimiento Suposición y ecuación (3-28) 5.00.E+00 p/compresor 1.38.E-05 p/uf 25 Diafragma Viton o PTFE Entrada Compresión Mantenimiento Suposición y ecuación (3-28) 4.00.E+00 kg/compresor 1.10.E-05 kg/uf 26 Valvula DN 125 Salidas Compresión Mantenimiento Suposicion y ecuación (3-28) 1.38.E-05 p/uf 27 Diafragma de PTFE Salidas Compresión Mantenimiento Suposición y ecuación (3-28) 1.10.E-05 kg/uf Tabla B2. Calidad de datos SMR I1 A2 G3 S4 C5 R6 Ca7 Back-ground Comentarios back-ground A G S C R Ca Calidad datos (Ítem) 1 3 3 3 3 3 30 Natural gas, high pressure {ES}| market for natural gas, high pressure | Cut-off, U Se selecciona de combustibles a baja presión que es como suele usarse en plantas de reformado, además se selecciona mercado español. 3 3 3 3 3 30 HIGH 2 3 2 3 1 3 25 Methylamine {RER}| market for methylamine | Cut-off, U Se selecciona porque se refiere a region europa. 3 3 3 3 3 30 HIGH 1 Item 2 Age 3 Geopraphical origin 4 Source 5 Completeness 6 Reproducibility 7 Calidad de datos xvi xvi Anexo B. Inventarios Item Nombre Tipo Sección Sub-sección Referencia datos Valor Unid. Por u.f. Unid. 17 Energía eléctrica (renovable) Entrada Conversión (electrólisis) Electrólisis (Krishnan et al., 2024). Ecuación (3-24) 96 %Energía 5.25.E-02 MWh/uf 18 Energía eléctrica (de la red) Entrada Conversión (electrólisis) Electrólisis (Krishnan et al., 2024). Ecuación (3-24) 4 %Energía 2.11.E-03 MWh/uf 19 KOH Entrada Conversión (electrólisis) Electrólisis Brauns & Turek, 2020. Ecuación (3-25) 1.16.E+04 kg KOH/sistema 7.62.E-04 kg/uf 20 Energía Entrada Purificación Ligen et al., 2020 5.00.E-01 kWh/kgH2 5.00.E- 01 kWh/kgH2 21 Gases residuales VPSA (N2,O2,H2O) Salida Purificación Ligen et al., 2020. Ecuación (3-26) 6.84.E+01 kg/h 3.73.E-02 kg/uf 22 Energía compresión Entrada Compresión Minnuo Compressors., 2022. Ecuación (3-27) 4.00.E+03 kW 2.18.E+00 kWh/uf 23 Agua enfriamiento Entrada Compresión Suposición 2.00.E+00 m3/h 2.00.E+01 kg/uf 24 Valvula DN 125 Entrada Compresión Mantenimiento Suposición y ecuación (3-28) 5.00.E+00 p/compresor 1.38.E-05 p/uf 25 Diafragma Viton o PTFE Entrada Compresión Mantenimiento Suposición y ecuación (3-28) 4.00.E+00 kg/compresor 1.10.E-05 kg/uf 26 Valvula DN 125 Salidas Compresión Mantenimiento Suposicion y ecuación (3-28) 1.38.E-05 p/uf 27 Diafragma de PTFE Salidas Compresión Mantenimiento Suposición y ecuación (3-28) 1.10.E-05 kg/uf xvii Tabla B4. Calidad de datos ALK I A G S C R Ca Back-ground Comentarios back-ground A G S C R CA Calidad datos (Ítem) 1 3 2 1 3 2 21 Nickel, class 1 {GLO}| market for nickel, class 1 | Cut-off, U Modelado a nivel global hasta 2023. El niquel clase 1 se suele usar como electrodo. 3 1 2 3 2 23 HIGH 2 3 3 3 1 1 22 Zirconium oxide {GLO}| market for zirconium oxide | Cut-off, U Mercado global hasta 2023. 3 1 2 2 2 21 HIGH 3 3 2 1 2 2 19 Polyphenylene sulfide {GLO}| market for polyphenylene sulfide | Cut-off, U No se encuentra polisulfona pero si el polifenilsulfuro PPS. También es un termoplástico y se suele usar en la misma aplicación. Mercado global hasta 2023. 3 1 1 1 1 14 MEDIUM 4 3 1 3 3 2 26 Natural gas, high pressure {ES}| market for natural gas, high pressure | Cut-off, U Mercado 2023. España. 3 3 3 3 2 28 HIGH 5 3 2 1 3 2 21 Nickel, class 1 {GLO}| market for nickel, class 1 | Cut-off, U Modelado a nivel global hasta 2023. El niquel clase 1 se suele usar como electrodo. 3 1 3 3 2 26 HIGH 6 3 3 3 2 2 26 Polyethylene, high density, granulate {GLO}| market for polyethylene, high density, granulate | Cut-off, U Inventario global hasta 2023. Corresponde al PTFE pero no a la hoja del ancho requerido. 3 1 1 2 2 18 MEDIUM 7 3 3 2 2 2 23 Steel, low-alloyed {GLO}| market for steel, low-alloyed | Cut-off, U Se selecciona porque corresponde a aluminio con baja aleacion de metales como Ni, por ejemplo. Corresponde a mercado global hasta 2023. 3 1 2 2 2 21 HIGH 8 3 3 1 2 2 20 Steel, low-alloyed {GLO}| market for steel, low-alloyed | Cut-off, U Mercado global hasta 2023. 3 1 2 3 2 23 HIGH 9 3 3 1 1 1 16 Copper-rich materials {GLO}| market for copper-rich materials | Cut-off, U Mercado genérico a nivel global hasta 2023. Usado en conductores y bobinas. 3 1 2 2 1 19 MEDIUM 10 3 3 1 1 1 16 Steel, low-alloyed, hot rolled {GLO}| market for steel, low-alloyed, hot rolled | Cut-off, U Inventario mercado global hasta 2023. Usado en estructuras por su alta resistencia y durabilidad. 3 2 2 2 1 20 MEDIUM 11 3 3 1 1 1 16 Polycarbonate {RER}| market for polycarbonate | Cut-off, U Plastico usado en electrica y electronic, inventario modelado para europa hasta 2023. 3 2 2 2 1 20 MEDIUM xviii xviii Anexo B. Inventarios I A G S C R Ca Back-ground Comentarios back-ground A G S C R CA Calidad datos (Ítem) 12 3 3 1 1 1 16 Polypropylene, granulate {GLO}| market for polypropylene, granulate | Cut-off, U Inventario modelado a nivel global. Usado en tanques y tuberias por sus resistencia a la corrosión. 3 1 2 2 1 19 MEDIUM 13 3 3 1 1 1 16 Steel, low-alloyed {GLO}| market for steel, low-alloyed | Cut-off, U Inventario modelado a nivel global hasta 2023. Resistente a la corrosión por alcalis. 3 1 2 2 1 19 MEDIUM 14 3 3 1 1 1 16 Activated silica {GLO}| market for activated silica | Cut-off, U Mercado global hasta 2023. Usado en sistemas de purificación de gases. 3 1 2 2 1 19 MEDIUM 15 3 3 1 1 1 16 Electronic component, passive, unspecified {GLO}| market for electronic component, passive, unspecified | Cut-off, U Inventario global a 2023. Componentes que controlan el flujo de la electricidad de forma pasiva, como conductores o transformadores. 3 1 2 2 1 19 MEDIUM 16 3 3 3 3 3 30 Water, deionised {Europe without Switzerland}| market for water, deionised | Cut-off, U Mercado Europa, al 2023. 3 1 2 3 3 25 HIGH 17 3 3 3 3 3 30 Electricity, high voltage {CH}| electricity, high voltage, wind power, import from Germany | Cut-off, U Representa un proceso que involucra importar a nueva york desde Suiza. Inventario hasta 2023. 3 1 2 2 1 19 MEDIUM 18 3 3 3 3 3 30 Electricity, high voltage {ES}| market for electricity, high voltage | Cut-off, U Inventario de 2020, para España, country mix alto voltaje 3 3 3 3 3 30 HIGH 19 3 3 3 3 3 30 Potassium hydroxide {GLO}| market for potassium hydroxide | Cut-off, U suministro global modelado hasta 2023. 3 2 2 3 3 26 HIGH 20 3 2 3 3 3 29 Electricity, medium voltage {ES}| market for electricity, medium voltage | Cut-off, U Inventario españa, hasta 2023 medio voltaje. 3 3 3 3 3 30 HIGH 21 3 2 2 2 2 22 Se queman y recirculan para el Reformador, la cuantificación de las emisiones de CO2 están en el reformado. 22 3 3 1 1 1 16 Electricity, medium voltage {ES}| market for electricity, medium voltage | Cut-off, U Inventario españa, hasta 2023 medio voltaje. 3 3 3 3 3 30 HIGH xix I A G S C R Ca Back-ground Comentarios back-ground A G S C R CA Calidad datos (Ítem) 23 3 1 1 1 1 14 Tap water {RER}| market group for tap water | Cut-off, U Inventario para Europa hasta 2023 3 2 3 3 3 29 HIGH 24 3 3 2 2 2 23 Exhaust air valve, in-wall housing, plastic/steel, DN 125 {GLO}| market for exhaust air valve, in-wall housing, plastic/steel, DN 125 | Cut-off, U 3 1 2 2 2 21 HIGH 25 3 3 2 2 2 23 Acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer {GLO}| market for acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer | Cut-off, U 3 1 1 2 1 16 MEDIUM 26 3 3 2 2 2 23 Used exhaust air valve in-wall housing, plastic/steel {CH}| market for used exhaust air valve in-wall housing, plastic/steel | Cut-off, U Mercado hasta 2022 Suiza. 3 1 2 2 2 21 HIGH 27 3 2 2 2 2 22 Waste mass, total, placed in landfill El PTFE no tiene alto potencial de reciclaje. Se supone landfill. 3 1 1 1 1 14 MEDIUM Tabla B5. Inventario PEM (Electrolizador PEM) Item Nombre Tipo Sección Sub-sección Referencia datos Valor Unid. Por u.f. Unid. 1 Pt cátodo Entrada Fabricación de celda CCM Badgett et al., 2023. Ecuación(3-29) 8.77.E+02 mg/celda 3.55.E-01 mg/uf 2 IrO2 ánodo Entrada Fabricación de celda CCM Badgett et al., 2024. Ecuación (3-29) 1.75.E+03 mg/celda 7.10.E-01 mg/uf xx xx Anexo B. Inventarios Item Nombre Tipo Sección Sub-sección Referencia datos Valor Unid. Por u.f. Unid. 3 Nafion Entrada Fabricación de celda CCM Badgett et al., 2025. Ecuación (3-29) 3.16.E+01 g/celda 1.28.E-02 g/uf 4 Energía recubrimiento celda Entrada Fabricación de celda CCM Mendel Chemicals SRL, n.d. Ecuación (3-29) 2.34.E-02 kWh/celda 9.48.E-06 kWh/uf 5 Polvo de titanio Entrada Fabricación de celda PTL Caplinq, n.d.). Ecuación (3- 29) 1.38.E+02 g/celda 5.61.E-02 g/uf 6 Energía sinterizado Entrada Fabricación de celda PTL Suposición y (Arnhold, n.d.). Ecuación (3-29) 3.46.E-01 kWh/celda 1.40.E-04 kWh/uf 7 Sellos de PPS Entrada Fabricación de celda Suposición y (Moreno Soriano et al., 2021). Ecuación (3-29) 7.04.E+00 g/celda 2.85.E-03 g/uf 8 Acero inoxidable (Plato final) Entrada Integración stacks Zhang et al., 2022. Ecuación (3-30) 2.31.E+01 kg/stack 3.12.E-05 kg/uf 9 Aleación acero baja Entrada Ensamble del sistema BoP (Bareiß, de la Rua, Möckl, & Hamacher, 2019. Tabla (3- 23) 2.41.E+01 kg/BoP 1.08.E-06 kg/uf 10 Aleación acero alto Entrada Ensamble del sistema BoP (Bareiß, de la Rua, Möckl, & Hamacher, 2020. Tabla (3- 23) 9.52.E+00 kg/BoP 4.29.E-07 kg/uf 11 Aluminio Entrada Ensamble del sistema BoP (Bareiß, de la Rua, Möckl, & Hamacher, 2020. Tabla (3- 23) 5.01.E-01 kg/BoP 2.26.E-08 kg/uf 12 Cobre Entrada Ensamble del sistema BoP (Bareiß, de la Rua, Möckl, & Hamacher, 2020. Tabla (3- 23) 5.01.E-01 kg/BoP 2.26.E-08 kg/uf 13 Plástico Entrada Ensamble del sistema BoP (Bareiß, de la Rua, Möckl, & Hamacher, 2020. Tabla (3- 23) 1.50.E+00 kg/BoP 6.77.E-08 kg/uf xxi Item Nombre Tipo Sección Sub-sección Referencia datos Valor Unid. Por u.f. Unid. 14 Material electrónico Entrada Ensamble del sistema BoP (Bareiß, de la Rua, Möckl, & Hamacher, 2020. Tabla (3- 23) 5.51.E+00 kg/BoP 2.48.E-07 kg/uf 15 Lubricantes Entrada Ensamble del sistema BoP (Bareiß, de la Rua, Möckl, & Hamacher, 2020. Tabla (3- 23) 1.00.E+00 kg/BoP 4.51.E-08 kg/uf 17 Energía eléctrica (renovable) Entrada Conversión (electrólisis) Electrólisis (María Villarreal Vives et al., 2023). Ecuación (3-31) 98% 5.40.E+01 kWh/uf 18 Energía eléctrica (de la red) Entrada Conversión (electrólisis) Electrólisis (María Villarreal Vives et al., 2023). Ecuación (3-31) 2% 1.15.E+00 kWh/uf 19 Agua enfriamiento Entrada Conversión (electrólisis) Electrólisis (María Villarreal Vives et al., 2023). Ecuación (3-32) 7.08.E+04 kg/h 3.91.E+00 kg/uf 20 Agua desionizada Entrada Conversión (electrólisis) Electrólisis (María Villarreal Vives et al., 2023). Ecuación (3-33) 1.62.E+03 kg/h 8.94.E+00 kg/uf 21 Energia compresión Entrada Compresión minnuo. Ecuación (3-34) 3.70.E+02 kW 2.04.E+00 kWh/uf 22 Agua enfriamiento Entrada Compresión Suposición. 2 m3/kgH2 2.00.E+01 kg/uf 23 Valvula DN50 (acero inoxidable o aleación aluminio Entrada Compresión Mantenimiento Suposición y ecuación (3-35) 3.00.E+00 p/compresor 8.37.E-06 p/uf 24 Diafragma Viton o PTFE Entrada Compresión Mantenimiento Suposición y ecuación (3-35) 2.00.E+00 kg/Diafragma 5.58.E- 06 kg/uf 25 Valvula DN 125 Salidas Compresión Mantenimiento Suposicion 5.00.E+00 p/compresor 8.37.E-06 p/uf xxii xxii Anexo B. Inventarios Item Nombre Tipo Sección Sub-sección Referencia datos Valor Unid. Por u.f. Unid. 26 Diafragma de PTFE Salidas Compresión Mantenimiento Suposicion 5.58.E-06 kg/uf Tabla B6. Calidad de datos PEM I A G S C R Ca Back-ground Comentarios back-ground A G S C R C Calidad datos (Ítem) 1 3 2 3 3 2 27 Platinum {GLO}| market for platinum | Cut-off, U Este flujo representa platino refinado disponible en el mercado mundial. Es una opción adecuada si necesitas platino ya purificado, listo para aplicaciones industriales o de alta tecnología, como en celdas de combustible PEM 3 2 2 2 2 22 HIGH 2 3 2 3 3 2 27 Rhodium {GLO}| market for rhodium | Cut-off, U Se ha seleccionado el flujo de Rodio, mercado global (GLO) como sustituto del iridio en el cátodo de la celda PEM, debido a la falta de inventario específico de iridio en la base de datos. Esta selección se basa en la similitud de propiedades entre el rodio y el iridio, ambos pertenecientes al grupo de metales del platino. 3 2 2 2 2 22 HIGH 3 3 2 3 3 2 27 Polypropylene, granulate {GLO}| market for polypropylene, granulate | Cut-off, U Se ha seleccionado el flujo de Polipropileno granulado, mercado global (GLO) como un sustituto del Nafion en el contexto de la celda PEM debido a la falta de datos específicos sobre Nafion en la base de datos 3 2 1 1 1 15 MEDIUM 4 3 2 2 2 2 22 Electricity, medium voltage {ES}| market for electricity, medium voltage | Cut-off, U El proceso de recubrimiento mediante el equipo de doble cara requiere un consumo eléctrico considerado de media. Mercado España a 2023. 3 3 3 3 3 30 HIGH 5 3 2 3 3 3 29 Titanium sponge {GLO}| market for titanium sponge | Cut-off, U El titanio esponjoso es una opción válida para el Pore Transport Layer (PTL) en celdas de combustible PEM, dado su diseño poroso, resistencia a la corrosión y capacidad para mejorar la difusión de reactantes. Mercado hasta 2024. 3 2 3 2 2 25 HIGH 6 3 3 2 2 2 23 Electricity, medium voltage {ES}| market for electricity, medium voltage | Cut-off, U , el consumo energético asociado al sinterizado del e clasifica como media debido a que las temperaturas requeridas y al tiempo de operación del horno, son considerables pero no 3 3 2 2 2 23 HIGH xxiii I A G S C R Ca Back-ground Comentarios back-ground A G S C R C Calidad datos (Ítem) extremos en comparación con otros procesos de fabricación industrial. 7 3 3 2 2 2 23 Polyethylene, high density, granulate {GLO}| market for polyethylene, high density, granulate | Cut-off, U Como alternativa, se ha optado por el polietileno de alta densidad (HDPE). A pesar de que el HDPE no posee la misma resistencia térmica que el PPS. Por eso ademas se selección HDPE virgen 100%. Inventario global a 2023. 3 2 2 2 2 22 HIGH 8 3 3 3 3 3 30 Steel, chromium steel 18/8 {GLO}| market for steel, chromium steel 18/8 | Cut-off, U Chromium Steel 18/8 GLO" (AISI 304), Su alta resistencia a la corrosión es crucial para el funcionamiento a largo plazo de la celda de combustible, Mercado global hasta 2023. 3 2 2 2 2 22 HIGH 9 2 3 2 2 2 21 Steel, low-alloyed {GLO}| market for steel, low-alloyed | Cut-off, U baja proporción de elementos adicionales como cromo, níquel, o molibdeno,Mercado global (GLO) hasta 2023. 3 2 2 2 2 22 HIGH 10 2 3 2 2 2 21 Steel, chromium steel 18/8 {GLO}| market for steel, chromium steel 18/8 | Cut-off, U El mercado global de acero con cromo (acero aleado con cromo) usado en generación de energía (incluyendo aplicaciones de celdas PEM)producido principalmente en países como Sudáfrica, Kazajistán, India y Turquía, mercado hasta 2023. 3 2 2 2 2 22 HIGH 11 2 3 2 2 2 21 Aluminium, wrought alloy {GLO}| market for aluminium, wrought alloy | Cut-off, U Representa una aleación de aluminio forjada (wrought alloy) y refleja el mercado promedio para este tipo de material, incluyendo etapas intermedias de transformación. Mercado global hasta 2023. 3 2 2 2 2 22 HIGH 12 2 3 2 2 2 21 Copper-rich materials {GLO}| electrolyte, copper-rich to generic market for copper-rich materials | Cut-off, U s el tipo más común de cobre utilizado en aplicaciones eléctricas y electrónicas. Tiene una pureza de al menos 99.9% 3 2 2 2 2 22 HIGH 13 2 3 2 2 2 21 Polyethylene, high density, granulate, recycled {Europe without Switzerland}| market for polyethylene, high density, granulate, recycled | Cut-off, U HDPE reciclado es una opcion viable para elementos del BoP, Mercado Europa 2023. 3 2 2 2 2 22 HIGH 14 2 3 2 2 2 21 Electronic component, passive, unspecified {GLO}| market for Inventario global a 2023. Componentes que controlan el flujo de la electricidad de forma pasiva, como conductores o 3 2 2 2 2 22 HIGH xxiv xxiv Anexo B. Inventarios I A G S C R Ca Back-ground Comentarios back-ground A G S C R C Calidad datos (Ítem) electronic component, passive, unspecified | Cut-off, U transformadores. Limitan el flujo de corriente. Cambian el voltaje de una señal eléctrica. 15 2 3 2 2 2 21 Lubricating oil {RER}| market for lubricating oil | Cut-off, U Aceite lubricante que proviene del mercado de la región de Europa (RER) 2023. 3 2 2 2 2 22 HIGH 17 3 2 3 3 2 27 Electricity, high voltage {CH}| electricity, high voltage, wind power, import from Germany | Cutoff, U Inventario hasta 2022, modelado en Suiza. 3 2 2 2 2 22 HIGH 18 3 2 3 3 2 27 Electricity, medium voltage {ES}| market for electricity, medium voltage | Cut-off, U Mercado español hasta 2022. 3 3 3 3 3 30 HIGH 19 3 2 3 3 2 27 Tap water {RER}| market group for tap water | Cut-off, U Mercado Europeo hasta 2022. 3 2 2 2 2 22 HIGH 20 3 2 3 3 2 27 Water, deionised {Europe without Switzerland}| market for water, deionised | Cut-off, U Mercado Europeo hasta 2022. 3 2 2 2 2 22 HIGH 21 3 3 1 1 1 16 Electricity, medium voltage {ES}| market for electricity, medium voltage | Cut-off, U Mercado español hasta 2022. 3 3 3 3 3 30 HIGH 22 3 1 1 1 1 14 Tap water {RER}| market group for tap water | Cut-off, U Mercado Europeo hasta 2022. 3 2 2 2 2 22 HIGH 23 3 1 1 1 1 14 Exhaust air valve, in-wall housing, plastic/steel, DN 125 {GLO}| market for exhaust air valve, inwall housing, plastic/steel, DN 125 | Cut-off, U Inventario para Europa hasta 2023 3 2 3 3 3 29 HIGH 24 3 1 1 1 1 14 Acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer {GLO}| market for acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer | Cut-off, U Material sustituto para el viton. Mercado global hasta 2022. 3 1 1 1 1 14 MEDIUM xxv I A G S C R Ca Back-ground Comentarios back-ground A G S C R C Calidad datos (Ítem) 25 3 1 1 1 1 14 Used exhaust air valve in-wall housing, plastic/steel {CH}| market for used exhaust air valve in-wall housing, plastic/steel | Cut-off, U Mercado hasta 2022 Suiza. 3 1 2 2 2 21 HIGH 26 3 1 1 1 1 14 Waste mass, total, placed in landfill El PTFE no tiene alto potencial de reciclaje. Se supone landfill. 3 1 1 1 1 14 MEDIUM