¿Qué es la electrólisis?
La electrólisis utiliza una corriente eléctrica para activar una reacción química que no ocurrirá naturalmente.
La electrólisis del agua es un proceso electroquímico que utiliza electricidad para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno.
La electrólisis de dióxido de carbono es la reducción de CO2 a CO.
Estas reacciones pueden ocurrir en una celda de electrólisis o en una unidad electrolizador que contiene un medio electrolítico entre un ánodo y un cátodo. El control de la presión durante la electrólisis es una consideración importante y depende de la tecnología del electrolizador.
Tecnología de electrolizador
La electrólisis del agua alcalina es la metodología más antigua y avanzada para la separación del agua, pero los sistemas más nuevos están ganando popularidad. Las tecnologías que utilizan pilas de membranas de electrolitos poliméricos, también llamadas membranas de intercambio de protones o PEM, se diseñaron para una electrólisis del agua de mayor eficiencia que el electrolizador de solución alcalina anterior.
Los sistemas de electrólisis PEM pueden diseñarse como un sistema de presión equilibrada, donde el O2 y el H2 operan a la misma presión, o como un sistema de presión diferencial donde el O2 y el H2 operan a diferentes presiones.
Por lo general, operan a una presión más alta que los sistemas alcalinos, lo que les brinda la ventaja de minimizar la necesidad de una compresión mecánica de segunda etapa para presurizar el gas obtenido y proceder a su almacenamiento.
Ya sea en los diseños de presión diferencial o equilibrada, la regulación de la presión de las corrientes de gas O2 y H2 es extremadamente importante para la eficiencia y la vida útil del electrolizador PEM.
En la electrólisis de CO2, se están realizando investigaciones para encontrar una tecnología de electrolizador eficiente que pueda utilizarse a gran escala. Se están estudiando celdas de electrólisis de óxido sólido (SOEC), celdas de electrólisis de carbonato fundido (MCEC) y electrodos de difusión de gas (GDE). También se están investigando electrolizadores asistidos por catalizadores, que crean una pila de electrolizadores multicapa. La tecnología de electrolizadores de CO2 se está convirtiendo en un importante contribuyente a la reducción de carbono mediante el uso de CO2 y H2O para crear combustibles sintéticos.
¿Cuáles son los beneficios de emplear reguladores de contrapresión las soluciones de control de presión del electrolizador Equilibar?
El coeficiente de flujo de las válvulas de Equilibar Cv (100:1 o mayor) supera el rango de las válvulas de globo o de bola tradicionales.
Los reguladores de contrapresión de Equilibar se utilizan a menudo para controlar procesos de electrólisis en una amplia variedad de flujos y presiones, altas o bajas, con extrema precisión. El exclusivo diseño de múltiples orificios de las válvulas de Equilibar permite un control de presión estable en un amplio rango de Cv y puede manejar fácilmente el flujo de fase mixta (líquido-gas) o presiones variables en la salida del reguladores de contrapresión.
Los BPR Equilibar pueden manejar un alto dP a través de la válvula sin problemas
A menudo, en los sistemas de electrolizadores de producción, es ventajoso tener una caída de presión mínima a través del regulador de contrapresión, siendo la presión aguas abajo lo más alta posible para reducir la necesidad de comprimir el gas a una presión más alta para su almacenamiento o uso. Los reguladores de contrapresión de Equilibar, cuando tienen el tamaño adecuado para el Cv requerido, pueden mantener un control de presión estable con una caída de presión mínima a través de ellos o con una caída de presión grande, según el caso. Por el contrario, las válvulas de control tradicionales y los controladores de contrapresión accionadas por muelle a menudo tienen dificultades para operar con un dP muy pequeño en la válvula.
Si, en cambio, el sistema requiere una gran caída de presión a través de la válvula que normalmente causaría cavitación o dañaría las válvulas tradicionales de un solo asiento, los reguladores de contrapresión de Equilibar también pueden manejar ese escenario sin dificultad.
Las válvulas Equilibar se pueden fabricar con materiales para soportar condiciones agresivas.
La simplicidad del diseño de Equilibar también nos permite adaptar fácilmente los materiales de construcción a los desafíos de la electrólisis de alta presión. El cuerpo del regulador se puede mecanizar a partir de aleaciones con alto contenido en níquel, como latón, bronce o Monel, para utilizarlo de forma segura con oxígeno puro a alta presión. Para la electrólisis alcalina, los materiales del diafragma y de la junta tórica se pueden elegir para que sean compatibles con la solución de electrolito cáustico. Las válvulas Equilibar también se pueden limpiar para servicios de oxígeno.
El regulador de contrapresión Equilibar se ajusta instantáneamente para mantener la presión.
El control de presión del regulador Equilibar no depende de un transductor externo ni de un circuito PID, por lo que el regulador de contrapresión reacciona casi instantáneamente a los cambios en el flujo y ajusta su Cv en consecuencia para mantener la presión deseada. Este control preciso de la presión es particularmente importante cuando se trata de membranas sensibles de intercambio de protones que se romperán si el dP a través de ellas es demasiado alto.
Formas de utilizar los reguladores de contrapresión Equilibar en sistemas de electrólisis
Control de presión diferencial del electrolizador PEM
Los reguladores de contrapresión de Equilibar se pueden utilizar para controlar la presión del gas de salida en las líneas de oxígeno e hidrógeno provenientes de una pila PEM. Al colocar un regulador de contrapresión en la salida de gas del lado del ánodo y del cátodo de la pila PEM, se puede mantener una dp (presión diferencial) preciso en toda la pila en todo momento. ¿Por qué utilizar un regulador de contrapresión de Equilibar para el control de presión en una pila PEM? Porque pueden controlar altas presiones, puede trabajar con fluidos a alta temperatura y bifásicos, y se integra fácilmente en un sistema de control electrónico con un regulador electrónico de presión como la serie PCD de Alicat Scientific.
Controladores de Contra Presión de Equilibar regulando el diferencial de presión (dp)
Control del electrolizador PEM aguas abajo del separador
Los reguladores de contrapresión también se pueden utilizar aguas abajo de un separador o de un drenaje de líquido. En algunos sistemas, es ventajoso colocar el regulador de contrapresión aguas abajo de un separador, en lugar de directamente aguas abajo de la pila de PEM, de modo que se mantenga la presión en el circuito de agua desionizada. Las ventajas de utilizar un Equilibar para esta configuración son:
- Los reguladores de contrapresión Equilibar pueden manejar dP altos a través de la válvula sin causar daños o problemas de rendimiento deficiente.
- El regulador de contrapresión aislará el sistema de las fluctuaciones de presión aguas abajo (por ejemplo, presión potencialmente variable del gaseoducto en la instalación de producción) y mantendrá un control estable incluso cuando esta presión de salida varíe.
Coloque un regulador de contrapresión aguas abajo de un separador PEM para que se mantenga la presión en el circuito de agua.
Utilice un único controlador electrónico para mantener el diferencial de presión de la pila PEM
Con nuestros equipos, es posible controlar la presión tanto en el lado del cátodo como del ánodo del electrolizador con un único regulador de presión para la presión de pilotaje conectado a los dos reguladores de contrapresión, asegurando que la presión en ambos lados del PEM coinciden estrechamente entre sí. El siguiente esquema es un ejemplo de dicho sistema.
Con un regulador de presión PCD de Alicat Scientific controle el ánodo y el cátodo del electrolizador de agua.
Tecnología Equilibar utilizada en electrólisis para generar oxígeno en el espacio
La electrólisis, que se utiliza para aplicaciones de vuelos espaciales, utiliza un electrolizador de agua corriente para generar suficiente oxígeno a partir del agua para satisfacer las necesidades metabólicas de la tripulación. Muchos de los diseños actuales de electrolizadores requieren un proceso de separación de gas y líquido posterior, lo que presenta desafíos en un entorno de microgravedad. Una complicación adicional es el flujo bifásico causado por la generación de burbujas en el electrolizador. Investigadores de la Universidad de Colorado en Boulder propusieron una configuración de electrolizador alternativa y construyeron un prototipo utilizando un regulador de vacío Equilibar®.
Lea este caso de estudio en este enlace.
¿Para qué se utilizan los productos de la electrólisis del agua y del CO2?
Los investigadores de energía están optimizando la electrólisis del agua para producir hidrógeno como fuente de energía a partir de recursos renovables. Las turbinas eólicas y las células fotovoltaicas se pueden utilizar como fuentes de electricidad para que el electrolizador produzca hidrógeno para las pilas de combustible de hidrógeno. El objetivo es aumentar el uso de energías renovables y disminuir las emisiones de carbono.
El oxígeno producido en la reacción se puede utilizar para una gran variedad de aplicaciones, incluido el O2 respirable para viajes espaciales y submarinos.
El monóxido de carbono se utiliza en forma pura como fuente para muchos productos químicos industriales y finos o junto con H2 en gas sintético. Cuando el CO2 y el H2O se reducen en un proceso de coelectrólisis, se produce gas de síntesis y se utiliza para fabricar combustibles. Es un proceso en el que todos ganan: tomar CO2 de la atmósfera y utilizarlo para producir combustible renovable.
