Un impulso a la innovación para la economía del hidrógeno: diagnóstico en tiempo real de electrolizadores y pilas de combustible en funcionamiento
Optimizar la capacidad de carga y la eficiencia, prolongar la vida útil y reducir los costes de explotación: un salto tecnológico con un gran potencial
Anuncios
El uso del hidrógeno es un componente clave de la descarbonización, pero garantizar el funcionamiento a largo plazo de los electrolizadores y las pilas de combustible supone un reto. Las condiciones de funcionamiento variables provocan desgaste y pérdidas de rendimiento. El Fraunhofer IFAM ha logrado ahora un avance decisivo gracias a la espectroscopia de impedancia dinámica: Este método de diagnóstico permite un análisis preciso durante el funcionamiento, detecta sobrecargas en tiempo real e identifica puntos débiles en una fase temprana. Esto permite optimizar de forma específica la resiliencia y la eficiencia, prolonga la vida útil de los sistemas y reduce los costes de funcionamiento: un salto tecnológico con un enorme potencial para la economía del hidrógeno.
El envejecimiento de los materiales y la degradación del rendimiento plantean retos técnicos para los electrolizadores y las pilas de combustible. Las variaciones en las cargas operativas, como las causadas por las fluctuaciones en el suministro de energía renovable, pueden acortar significativamente la vida útil y generar elevados costes de mantenimiento. Para abordar este problema de forma sostenible, los investigadores del Fraunhofer IFAM han logrado avances decisivos en el sistema de diagnóstico en tiempo real para la espectroscopia de impedancia dinámica.
Análisis en tiempo real: de las mediciones de laboratorio a las aplicaciones industriales asistidas por IA
Los métodos de medición de última generación requieren una interrupción del funcionamiento, con el correspondiente tiempo de inactividad, para alcanzar un estado estacionario —como ocurre con la espectroscopia de impedancia clásica—. Estas mediciones requieren mucho tiempo y apenas reflejan las condiciones de funcionamiento reales, que están sujetas a fluctuaciones. «Con nuestro nuevo método de medición dinámica, estamos obteniendo por primera vez datos significativos directamente del proceso en marcha, utilizando niveles de corriente significativamente más altos que en la configuración de laboratorio anterior», afirma el Dr. Hermann Pleteit, director de proyecto en el Fraunhofer IFAM.
La espectroscopia de impedancia dinámica es un nuevo método que permite examinar el estado interno de un electrolizador o una pila de combustible en condiciones no estacionarias durante su funcionamiento. Para ello, se superpone una pequeña señal multifrecuencia a la corriente de funcionamiento normal. Al mismo tiempo, se mide cómo reacciona el sistema ante ello, es decir, cómo varían la corriente y la tensión. La relación entre estas magnitudes se utiliza para calcular lo que se conoce como impedancia compleja, que puede entenderse como la «resistencia eléctrica» del sistema en función de la frecuencia. «Es precisamente esta naturaleza dependiente de la frecuencia lo que hace que la impedancia sea tan valiosa para las aplicaciones mencionadas y tan interesante para nosotros. A diferencia del valor de la resistencia simple, ofrece una visión global de los procesos que tienen lugar en el interior de un sistema electroquímico. Esto se debe a que los distintos procesos físicos y químicos —como las reacciones en los electrodos, el transporte de iones a través de la membrana, las resistencias de contacto eléctrico o la reposición de las sustancias implicadas— tienen cada uno un efecto a frecuencias diferentes. «Esto nos permite distinguir estos procesos entre sí, evaluarlos individualmente y, gracias a la resolución detallada en tiempo real, observar el estado de los componentes individuales, como la membrana o los electrodos», explica Pleteit.
A partir de la evolución temporal de estos espectros se pueden extraer conclusiones específicas sobre el estado y el envejecimiento del sistema. Si, por ejemplo, aumenta la resistencia de un determinado componente, esto puede indicar un deterioro de las reacciones en los electrodos, corrosión o un deterioro de los contactos eléctricos. Por otra parte, los cambios en el comportamiento de fase pueden indicar desgaste de la membrana, problemas con el equilibrio hídrico o una transferencia de masa restringida. Esto permite identificar las causas reales de las pérdidas de rendimiento, ya sean debidas a los materiales, las interfaces, los contactos o las condiciones de funcionamiento.
Un sistema de diagnóstico en tiempo real utiliza esta información para supervisar continuamente el estado de la célula. Esto permite detectar cambios incipientes mucho antes de que provoquen pérdidas de rendimiento apreciables o incluso un fallo. «En lugar de reaccionar solo después de que el sistema ya se haya parado, podemos predecir con precisión las necesidades de mantenimiento y evitar costosos tiempos de inactividad», continuó Pleteit. La espectroscopia de impedancia dinámica permite, por tanto, una evaluación precisa del estado, un diagnóstico específico de fallos y un mantenimiento predictivo de los electrolizadores y las pilas de combustible.
La base de estos avances es la ampliación de la espectroscopia de impedancia dinámica desde la escala de laboratorio hasta las dimensiones de las aplicaciones reales, de modo que ahora se pueden superponer corrientes de funcionamiento de hasta 30 amperios a la señal de medición. Esto representa un paso decisivo hacia la aplicación industrial. Mediante el procesamiento integrado de datos en línea, se calcula la evolución temporal de la impedancia y se muestra en tiempo real. «Esto nos permite, por primera vez, medir nuestros parámetros matemáticos para sistemas más grandes durante los procesos en curso. En combinación con modelos basados en IA, los resultados pueden aplicarse a condiciones ambientales cambiantes —como las fluctuaciones de presión y temperatura— así como a nuevas composiciones de materiales», resume Pleteit.
Integración en los sistemas de control de las plantas y ventajas prácticas
La ventaja práctica del sistema ampliado radica en su implementación directa en los sistemas de control de la planta, como el sistema de gestión energética. De este modo, los operadores de sistemas de hidrógeno —como las pilas de combustible PEM y los electrolizadores alcalinos— reciben datos de estado continuos y precisos que reflejan el estado actual de la planta. Sobre esta base, es posible detectar de forma precoz procesos críticos como la degradación de los catalizadores, planificar intervalos de mantenimiento predictivo y ajustar dinámicamente las estrategias de funcionamiento para minimizar los procesos de degradación. «Esto nos permite reducir significativamente los costes a lo largo de la vida útil y garantizar la viabilidad económica de los proyectos de hidrógeno verde, un componente clave para la competitividad de la economía del hidrógeno», afirma Pleteit.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Más noticias del departamento ciencias
Noticias más leídas
Más noticias de nuestros otros portales
Contenido visto recientemente
Reciclaje en la agricultura: el CO₂ biogénico se convierte en combustible renovable - Cinco socios del ámbito de la investigación y la industria desarrollan una planta de síntesis descentralizada
