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¿Sabes qué es un electrolizador y un emulador para PEM?

Figura 3 (principal). Configuración experimental para la caracterización del electrolizador PEM.

El estudio de estos dispositivos permitirá producir hidrógeno con poca energía eléctrica.

Un electrolizador de Membrana de Intercambio Protónico (PEM, por sus siglas en inglés) es un dispositivo electroquímico para producir y almacenar energía renovable. Esto se logra ya que este tipo de electrolizador cuenta con una entrada de agua y una membrana tipo PEM, esta membrana propicia la separación del hidrógeno y el oxígeno del agua (electrólisis).

En la Figura 1 se puede observar un diagrama de este proceso: la entrada de agua, la fuente de energía, el ánodo, el cátodo y la membrana tipo PEM.

Figura 1. Esquema de un electrolizador PEM.

El estudio de este tipo de electrolizadores (los tipo PEM) permite encontrar métodos para producir hidrogeno con la menor cantidad de energía eléctrica, por lo que los científicos y científicas trabajan en el desarrollo de ensayos para replicar su comportamiento mediante dispositivos electrónicos que emulen esta conversión de energía. Estos dispositivos se conocen como “emuladores de electrolizadores”, que son herramientas electrónicas que funcionan como una carga, pero con el perfil de consumo del electrolizador. Un ejemplo de un emulador de energía fotovoltaica se puede ver en la Figura 2, el cual tiene como objetivo ser un entrenador con el perfil de generación de una celda fotovoltaica.

En la actualidad existen diferentes emuladores de generación de energía, como los de sistemas fotovoltaicos, generadores eléctricos, celdas de combustible, etc. Sin embargo, el desarrollo de emuladores de energía que representen electrolizadores PEM es muy reciente. En Yucatán, en la Unidad de Energía Renovable del Centro de Investigación Científica de Yucatán (CICY), se trabaja en el desarrollo de un emulador de electrolizador desde su diseño, el comportamiento del modelo matemático y, finalmente, la construcción del prototipo del emulador que representa un electrolizador tipo PEM.

En el estudio experimental se ha caracterizado físicamente un electrolizador a través de diferentes regiones de temperatura, presión, corriente eléctrica, entre otras variables físicas. Estas variables se han relacionado con el rendimiento de los electrolizadores en trabajos anteriores. Con este estudio se obtienen las condiciones en las cuales, el electrolizador da su mejor rendimiento. Para hacer este experimento y adquirir la información se empleó el siguiente equipo:

  • Una computadora para controlar la fuente de energía (corriente DC).
  • Una fuente de energía que alimenta al electrolizador.
  • Un osciloscopio para observar el comportamiento del voltaje y la corriente que fluyen en el electrolizador.
  • Un tanque de agua que alimenta al electrolizador.
  • Un electrolizador PEM (en este caso de tres celdas).
  • Un sensor de corriente eléctrica.
  • Un sensor de voltaje.

Figura 2. Ejemplo de un emulador de energía fotovoltaica.

Los equipos mencionados anteriormente se pueden ver en la Figura 3 (principal).

Con la información obtenida de los experimentos se formula el modelo matemático del electrolizador analizado. Y para desarrollar y ejecutar el emulador se emplea una configuración de un circuito eléctrico como base. El circuito eléctrico se puede apreciar en la Figura 4.

Usando el circuito eléctrico de la figura 4 se puede replicar el comportamiento del modelo matemático, ajustando los valores de los componentes eléctricos que forman parte del circuito.

Figura 4. Esquema electrónico equivalente de un electrolizador PEM.

Para corroborar el comportamiento del sistema, se hace la comparación entre la simulación matemática y los resultados experimentales, ver Figura 5.

Figura 5. Comparación entre las simulaciones y los datos experimentales.

Con la validación del sistema, se demuestra formalmente que se puede crear un emulador de conversión de la energía para un electrolizador tipo PEM. Como última etapa de este proceso se realiza el diseño y la construcción del emulador. En la Figura 6 se muestra un prototipo desarrollado en el CICY.

Figura 6. Prototipo del emulador energético para un electrolizador tipo PEM.

Lo interesante y valioso de este trabajo es la implementación de este emulador de conversión energía para un electrolizador tipo PEM, trabajando en conjunto con una celda de combustible, para el desarrollo y optimización de sistemas de energía renovable. Es decir, usar este emulador en pruebas iniciales permitirá optimizar los recursos (dinero y tiempo), disminuyendo el costo operativo de un electrolizador real. Además, para llevar a cabo este estudio, es necesario hacerlo desde un análisis con un enfoque multidisciplinario (computación, matemáticas, control, física, electroquímica, electrónica, etc.). Este trabajo de investigación se ha desarrollado en colaboración con la Universidad Autónoma del Estado de México y la Université de Lorraine, en Francia.

Referencias

[1] D. Guilbert, G. Vitale, Experimental validation of an equivalent dynamic electrical model for a proton exchange membrane electrolyzer, in: 2018 IEEE International Conference on Environment and Electrical Engineering and 2018 IEEE Industrial and Commercial Power Systems Europe (EEEIC/I&CPS Europe), 2018, pp. 1e6, https://doi.org/10.1109/EEEIC.2018.8494523.

[2] Hernández-Gómez, Á., & Ramirez, V. (2019). Estimation of temperature gradient method for a particular PEM electrolyser system, Memorias del Congreso Nacional de Control Automático, ISSN: 2594-2492.

[3] Ángel Hernández-Gómez, Victor Ramirez, Damien Guilbert, Investigation of PEM electrolyzer modeling: Electrical domain, efficiency, and specific energy consumption, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 45, Issue 29, 2020, Pages 14625-14639, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.03.195.

[4] Ángel Hernández-Gómez, V. Ramirez, D. Guilbert, B. Saldivar, Development of an adaptive static-dynamic electrical model based on input electrical energy for PEM water electrolysis, Int. J. Hydrogen Energy 45 (38) (2020) 18817-18830, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.04.182.

[5] Hernández-Gómez, Á.; Ramirez, V.; Guilbert, D.; Saldivar, B. Cell voltage static-dynamic modeling of a PEM electrolyzer based on adaptive parameters: Development and experimental validation. Renew. Energy 2021, 163, 1508–1522, https://doi.org/10.1016/j.renene.2020.09.106.

[6] Hernández-Gómez, Á.; Ramirez, V.; Guilbert, D.; Saldivar, B. Self-Discharge of a Proton Exchange Membrane Electrolyzer: Investigation for Modeling Purposes. Membranes 2021, 11, 379. https://doi.org/10.3390/membranes11060379.

[7] Yodwong, B.; Guilbert, D.; Hinaje, M.; Phattanasak, M.; Kaewmanee, W.; Vitale, G. Proton Exchange Membrane Electrolyzer Emulator for Power Electronics Testing Applications. Processes 2021, 9, 498, https://doi.org/10.3390/pr9030498.

Acerca del autor

Ángel Hernández Gómez y Víctor M. Ramírez
Centro de Investigación Científica de Yucatán (CICY)

Unidad de energías renovables del Centro de Investigación Científica de Yucatán (CICY), Mérida, Yucatán, México.

victor.ramirez@cicy.mx

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