Por qué el costo del catalizador es el cuello de botella crítico en la producción de hidrógeno verde

El costo de producir hidrógeno verde aún se sitúa alrededor de 3,8 a 11,9 dólares por kilogramo, lo que lo coloca muy por encima de lo que pagamos por alternativas de combustibles fósiles, como la reforma del metano por vapor, cuyo rango oscila entre 1,5 y 6,4 dólares por kg. Esta brecha de precios dificulta la ampliación de las operaciones. Los gastos de capital en electrolizadores siguen siendo un importante costo, especialmente para los sistemas de membrana de intercambio de protones (PEM), que normalmente tienen un costo entre 800 y 1.500 dólares por kW. Al analizar más de cerca estos costos, surge algo interesante: la mayor parte del dinero se destina a catalizadores. Los metales del grupo del platino, como el iridio y el platino, representan casi la mitad del costo de las pilas PEM. Solamente para los ánodos PEM, necesitamos alrededor de 1 a 2 miligramos por centímetro cuadrado de iridio, un metal tan escaso y costoso que sus precios a menudo superan los 7.400 dólares por kg. El problema empeora porque las ofertas mundiales no pueden mantenerse al ritmo del crecimiento esperado de la demanda. Esta dependencia de materiales escasos crea riesgos tanto para el control de costos como para cadenas de suministro estables. Alcanzar la meta industrial de 150 dólares por kW para electrolizadores, al tiempo que se apunta a 1 dólar por kg de hidrógeno, requerirá reducciones significativas en los costos y en las cantidades utilizadas de catalizadores. Los electrolizadores de membrana de intercambio alcalino (AEM) podrían ofrecer precisamente la solución directa necesaria para lograr estas metas a gran escala.

Arquitectura del Electrolizador AEM: Posibilita una Carga Ultra-Baja de Catalizadores No PGM

La Membrana Conductora de Hidróxido Permite un Funcionamiento Estable con Óxidos de Níquel y Hierro

Las membranas de intercambio aniónico (AEM) funcionan conduciendo iones hidróxido (OH-), creando un entorno alcalino bastante diferente de las condiciones ácidas presentes en los sistemas PEM. La naturaleza alcalina ayuda en realidad a estabilizar esos catalizadores no PGM abundantes en la tierra, como los óxidos de níquel y hierro, en el lado del ánodo. Esto significa que obtenemos una buena actividad en la reacción de evolución de oxígeno (OER) sin que estos materiales se degraden demasiado rápido. Durante años, la estabilidad fue un gran problema que frenaba el avance de los catalizadores no PGM, pero recientemente las cosas han cambiado. Nuevos avances en la química de membranas junto con diseños de electrodos mejorados permiten que estos sistemas funcionen establemente a densidades de corriente industriales superiores a 0,5 A por centímetro cuadrado durante miles de horas operativas. Lo que hace tan valiosas a las membranas AEM modernas es su capacidad para evitar que las partículas de catalizador se disuelvan durante la operación. Mantienen los requisitos de conductividad iónica incluso cuando las cargas fluctúan, lo que elimina la necesidad de metales nobles caros solo para combatir la corrosión. Esto conduce finalmente a equipos mucho más duraderos en general.

Comparación: Carga de iridio en AEM frente a PEM

Las diferencias en la carga del catalizador subrayan la ventaja estructural de AEM. Los electrolizadores PEM dependen exclusivamente de ánodos de óxido de iridio (IrO₂) para resistir condiciones ácidas corrosivas. En cambio, los sistemas AEM operan con cualquiera de las siguientes opciones:

• Catalizadores no PGM (por ejemplo, oxi-hidróxidos de NiFe), que no requieren iridio alguno, o
• Revestimientos traza de PGM , típicamente <0,1 mg/cm², utilizados únicamente para una mejora marginal del rendimiento.

Esto representa una reducción significativa en el consumo de iridio. La tabla siguiente resume las implicaciones clave:

Una carga menor reduce directamente el CAPEX del conjunto en aproximadamente un 30 % y protege a los proyectos frente a la volatilidad de los precios de los PGM, lo cual es fundamental para la financiación a largo plazo y la viabilidad bancaria de los proyectos.

Ventajas en materiales, diseño y escala que reducen el CAPEX del catalizador AEM

Catalizadores abundantes en la tierra reducen la dependencia de materias primas y el riesgo de volatilidad

Los electrolizadores con membrana de intercambio alcalino (AEM) sustituyen el iridio, un metal raro que se produce a nivel mundial en unas 7 a 10 toneladas anuales, por níquel y hierro. Estas alternativas son aproximadamente 10.000 veces más abundantes y, de hecho, cotizan en mercados estables y de alto volumen en todo el mundo. Los sistemas tradicionales de membrana de intercambio protónico (PEM) destinan cerca del 40 al 60 por ciento de sus gastos de capital en pilas a metales del grupo precioso, pero la tecnología AEM redirige esos fondos hacia materiales más baratos y accesibles. Investigaciones publicadas en revistas revisadas por pares muestran que los ánodos AEM sin metales del grupo platino (PGM) pueden alcanzar más del 95 % de la actividad de la reacción de evolución de oxígeno de los PEM incluso a niveles industriales de corriente, reduciendo los costes de materiales catalizadores hasta en un 90 %. Analizar las dinámicas del mercado hace aún más convincente este cambio. Los precios del iridio aumentaron casi un 800 % entre 2020 y 2023 debido a la escasez de suministros, mientras que los precios del óxido de níquel y hierro permanecieron ligados a las condiciones generales del mercado industrial, sin presentar una volatilidad tan extrema.

El diseño simplificado de la celda reduce la complejidad de fabricación y el costo de integración del catalizador

La capacidad de la tecnología AEM para funcionar en entornos alcalinos hace posible simplificar bastante el diseño general de estas celdas. Las pilas PEM necesitan todo tipo de piezas costosas, incluyendo placas bipolares de titanio, juntas especiales resistentes a ácidos y componentes recubiertos con metales preciosos solo para soportar la corrosión. Sin embargo, los sistemas AEM funcionan perfectamente utilizando piezas comunes de acero inoxidable y sellos poliméricos cotidianos. En cuanto a la aplicación de capas catalíticas, los fabricantes tienen opciones escalables y económicas. Técnicas como el recubrimiento por pulverización o la deposición continua (roll to roll) funcionan bien aquí, lo que significa que las empresas no tienen que invertir en equipos costosos de pulverización catódica al vacío ni en procesos térmicos complejos requeridos para esas capas ultrafinas de iridio utilizadas en la tecnología PEM. Todas estas mejoras en el diseño reducen los costos en tres áreas principales:

• Materiales de pila resistentes a ácidos (ahorro de ~$220/kW),
• Infraestructura de pretratamiento de agua ultrapura,
• Logística de recuperación y reciclaje de metales nobles.

El análisis de la industria confirma que estos cambios reducen los costos de integración de catalizadores en un 35-50 %, acelerando el tiempo hasta la fabricación a volumen y mejorando la consistencia del rendimiento.

Impacto en la economía del hidrógeno verde: Menor LCOH mediante la eficiencia del catalizador AEM

La tecnología del electrolizador AEM reduce significativamente el costo nivelado de la producción de hidrógeno porque enfoca uno de los mayores gastos en los sistemas de electrolizadores: los materiales del catalizador. En lugar de utilizar iridio costoso, estos sistemas emplean compuestos basados en níquel y hierro que cuestan aproximadamente entre un 80 y un 90 por ciento menos. Además, requieren casi nula carga de catalizador. Este enfoque reduce los costos de materiales sin sacrificar los niveles de rendimiento, que permanecen bastante impresionantes, entre un 70 y un 75 por ciento de eficiencia al operar a 1 amperio por centímetro cuadrado. Dado que los costos del catalizador normalmente representan entre un 25 y un 40 por ciento del costo total de un electrolizador, realizar este cambio por sí solo conduce a importantes reducciones en los gastos de capital. Los beneficios se multiplican al considerar también otros factores. Un diseño de hardware más sencillo, procesos de fabricación más fáciles y una operación confiable incluso ante entradas fluctuantes de energía renovable contribuyen a una mejor economía. A gran escala, los sistemas AEM podrían potencialmente reducir los precios del hidrógeno por debajo de 2 dólares por kilogramo, alcanzando ese número clave necesario para competir eficazmente en industrias donde la descarbonización es particularmente difícil, como la producción de acero verde y los sectores de transporte pesado. A medida que los fabricantes aumentan los volúmenes de producción, entran en juego economías de escala mediante efectos de aprendizaje, consolidando la posición del AEM como un jugador clave para hacer que el hidrógeno verde sea asequible y factible en mercados globales.

Preguntas frecuentes

¿Por qué es crucial el costo del catalizador en la producción de hidrógeno verde?

El costo del catalizador es un factor importante porque los materiales utilizados, como el iridio y el platino, son caros y aumentan significativamente el gasto de capital de electrólisis como los sistemas PEM.

¿Cómo reducen los electrólisis AEM estos costos?

Los electrólisis AEM utilizan materiales abundantes en la tierra, como el níquel y el hierro, que son mucho más baratos, reduciendo así significativamente los gastos de materiales catalizadores.

¿Cuál es la eficiencia de los sistemas AEM en comparación con los sistemas PEM?

En general, los sistemas AEM alcanzan una eficiencia entre el 70 y el 75 por ciento, además de beneficiarse de costos reducidos y una mayor estabilidad en comparación con los sistemas PEM.

¿Se puede producir hidrógeno verde a costos competitivos?

Sí, con los avances en la tecnología AEM, los costos del hidrógeno verde podrían reducirse por debajo de 2 dólares por kilogramo, haciéndolo competitivo frente a los combustibles fósiles.