Energía del hidrógeno: El elemento más liviano y el futuro del combustible limpio

El hidrógeno es el elemento más abundante del universo, constituyendo aproximadamente el setenta y cinco por ciento de toda la materia bariónica en masa y encontrándose en vastas cantidades en estrellas, nubes de gas y la composición primordial del cosmos. En la tierra, sin embargo, el hidrógeno raramente existe en su forma elemental pura — se combina fácilmente con el oxígeno para formar agua, con el carbono para formar hidrocarburos, y con el nitrógeno y otros elementos para formar una amplia variedad de compuestos. Obtener hidrógeno puro para su uso como portador de energía requiere romper estos enlaces químicos, lo cual demanda energía. Este hecho fundamental — que el hidrógeno es un portador de energía y no una fuente primaria de energía, un medio para almacenar y transportar energía y no un pozo del cual se puede extraer energía — define tanto las promesas como los desafíos del hidrógeno como componente del sistema energético global.

La promesa es sustancial. El hidrógeno se quema con alta densidad energética (aproximadamente tres veces la energía por unidad de masa de la gasolina), produciendo únicamente vapor de agua como producto de combustión. Cuando se usa en una celda de combustible — un dispositivo electroquímico que combina hidrógeno y oxígeno para producir electricidad — el proceso es silencioso, altamente eficiente y libre de emisiones en el punto de uso. El hidrógeno puede producirse a partir del agua utilizando electricidad renovable, creando un ciclo cerrado en el que la energía limpia se convierte en hidrógeno, se almacena y transporta, y luego se reconvierte en electricidad o calor sin emisiones de carbono en ninguna etapa. Esta visión de una "economía del hidrógeno" — un sistema energético global en el que el hidrógeno desempeña un papel central análogo al del gas natural o el petróleo — ha sido articulada y perseguida durante más de medio siglo, y ha adquirido una urgencia renovada a medida que los países buscan vías hacia una descarbonización profunda de sus sistemas energéticos.

Los desafíos son igualmente sustanciales. El hidrógeno es el elemento más liviano, con el tamaño molecular más pequeño de cualquier sustancia, lo que lo hace extraordinariamente difícil de contener — se filtra a través de sellos y paredes de recipientes que contendrían otros gases, y requiere ya sea muy alta presión (típicamente 350-700 bar para aplicaciones vehiculares) o licuefacción criogénica (por debajo de menos 253 grados Celsius, cerca del cero absoluto) para su almacenamiento práctico. La producción de hidrógeno a partir de la electrólisis del agua utilizando electricidad renovable es limpia pero actualmente costosa. La producción de hidrógeno a partir de combustibles fósiles — que representa aproximadamente el noventa y cinco por ciento de la producción mundial actual de hidrógeno — emite cantidades sustanciales de dióxido de carbono. La infraestructura para el almacenamiento, distribución y uso del hidrógeno está en gran medida ausente en la mayoría de las partes del mundo. Y la conversión del hidrógeno en energía útil en celdas de combustible o en combustión implica pérdidas termodinámicas que reducen la eficiencia general del hidrógeno como portador de energía en comparación con el uso directo de electricidad.

Estos desafíos no han impedido que el hidrógeno se convierta en un foco de intensa inversión, atención política e innovación técnica a principios del siglo veintiuno, a medida que países y empresas buscan el hidrógeno como solución clave para descarbonizar sectores que son difíciles de electrificar directamente — incluyendo el transporte de larga distancia, los procesos industriales y el almacenamiento estacional de energía.

El Descubrimiento del Hidrógeno y su Historia Temprana

El descubrimiento del hidrógeno como elemento químico distinto se atribuye a Henry Cavendish, un científico inglés de extraordinaria capacidad y notable excentricidad, quien en 1766 aisló el "aire inflamable" — lo que hoy llamamos gas hidrógeno — al hacer reaccionar metales (zinc, estaño y hierro) con ácidos diluidos (ácido clorhídrico y sulfúrico). Cavendish caracterizó las propiedades del gas con gran precisión, midiendo su densidad (determinó que era aproximadamente once veces más liviano que el aire — una ligera sobreestimación, pero notable para la época) y demostrando que se quemaba en el aire para producir agua.

Antoine Lavoisier, el químico francés considerado como el padre de la química moderna, nombró al elemento "hydrogène" a partir de las palabras griegas "hydro" (agua) y "genes" (que forma) en 1783, tras demostrar que la combustión del gas hidrógeno produce agua. El nombre dado por Lavoisier se basó en sus rigurosos experimentos cuantitativos que mostraron que el agua está compuesta de hidrógeno y oxígeno — un descubrimiento que resolvió siglos de confusión sobre la naturaleza del agua y estableció los fundamentos de la química moderna. Lavoisier fue guillotinado durante la Revolución Francesa en 1794.

El año 1783 también fue notable por otro hito del hidrógeno: el primer vuelo tripulado en un globo de hidrógeno. Jacques Charles, un físico francés, y los hermanos Robert desarrollaron un globo de seda relleno de hidrógeno recubierto con caucho (una "charlière") y lo lanzaron desde el Campo de Marte en París el 27 de agosto de 1783, ante el asombro generalizado del público — el mismo año notable en que los hermanos Montgolfier realizaron su primer vuelo tripulado en globo de aire caliente (21 de noviembre de 1783). El propio Charles pilotó el primer vuelo tripulado en globo de hidrógeno el 1 de diciembre de 1783, ascendiendo a aproximadamente 550 metros y viajando aproximadamente 36 kilómetros desde los Jardines de las Tullerías antes de aterrizar en Nesles-la-Vallée, al noroeste de París. El hidrógeno para estos primeros globos se producía mediante la reacción de limallas de hierro con ácido sulfúrico — un proceso costoso y lento que, no obstante, proporcionó el gas de elevación que dominaría la aviación en globo durante el siguiente siglo y medio.

A lo largo del siglo diecinueve, el gas hidrógeno se producía y usaba principalmente como componente del "gas de ciudad" — el gas manufacturado que abastecía los primeros sistemas urbanos de iluminación y cocina. El gas de ciudad, producido al calentar carbón en ausencia de aire (un proceso llamado carbonización o pirólisis del carbón), contenía típicamente entre cuarenta y sesenta por ciento de hidrógeno junto con monóxido de carbono, metano y otros gases. Los sistemas de gas de ciudad se instalaron en Londres (desde 1812), París, Nueva York y ciudades de todo el mundo industrializado, proporcionando la primera infraestructura de energía por tuberías. El contenido de hidrógeno del gas de ciudad contribuía a su inflamabilidad y contenido energético, aunque no era reconocido ni valorado por separado de la mezcla.

La importancia industrial del hidrógeno creció dramáticamente a principios del siglo veinte con el desarrollo del proceso Haber-Bosch para sintetizar amoníaco a partir de nitrógeno e hidrógeno — uno de los procesos químicos más trascendentales de la historia. Fritz Haber, un químico alemán, desarrolló el proceso catalítico para la síntesis de amoníaco en 1909, y Carl Bosch, un químico industrial de BASF, lo escaló para la producción industrial a gran escala. El proceso Haber-Bosch permitió la producción de fertilizante sintético de nitrógeno a partir del nitrógeno atmosférico, incrementando dramáticamente los rendimientos agrícolas y sustentando el crecimiento poblacional del siglo veinte. Se estima que aproximadamente la mitad del nitrógeno en las proteínas de cada ser humano vivo hoy en día fue fijado por el proceso Haber-Bosch — convirtiéndolo posiblemente en el desarrollo químico más importante de la historia humana. El proceso consume aproximadamente el dos por ciento de la energía global y produce aproximadamente el uno por ciento de las emisiones globales de CO2, y requiere hidrógeno como materia prima esencial — producida actualmente principalmente a partir de gas natural.

El Nacimiento de la Celda de Combustible

La celda de combustible — el dispositivo electroquímico que convierte el hidrógeno directamente en electricidad con una eficiencia mucho mayor que la combustión — fue inventada por Sir William Robert Grove, un juez galés y científico aficionado, en 1839. Grove, trabajando en la London Institution, observó que la electrólisis (pasar una corriente eléctrica a través del agua para separarla en hidrógeno y oxígeno) podría invertirse — que combinar hidrógeno y oxígeno podría producir una corriente eléctrica. Construyó una "batería voltaica de gas" utilizando tiras de platino (el único catalizador disponible en ese momento que podía facilitar la reacción a temperatura ambiente) sumergidas en ácido sulfúrico diluido, con hidrógeno suministrado a un electrodo y oxígeno al otro.

Grove demostró que su batería de gas podía alimentar un motor eléctrico y producir una corriente eléctrica sostenida, publicando sus hallazgos en el Philosophical Magazine en 1839. Posteriormente conectó múltiples celdas en serie para crear dispositivos más potentes y demostró que la celda de combustible podía producir suficiente electricidad para alimentar la electrólisis del agua — anticipando el concepto de la economía del hidrógeno por casi dos siglos. La celda de combustible de Grove fue un notable logro científico pero no tuvo aplicación comercial: el platino era costoso, la potencia producida era mínima, y no había una fuente práctica de hidrógeno u oxígeno para su operación sostenida.

La celda de combustible fue dejada de lado en gran medida como curiosidad de laboratorio durante más de un siglo, ya que los motores de combustión interna y la generación convencional de electricidad por ciclo de vapor resultaron ser mucho más prácticos para las necesidades energéticas de la sociedad industrializada. Francis Bacon, un ingeniero británico (que no debe confundirse con el filósofo), revivió el interés práctico en las celdas de combustible en las décadas de 1930 y 1940, desarrollando celdas de combustible alcalinas que usaban electrolito de hidróxido de potasio (lo que permitía el uso de electrodos de níquel menos costosos en lugar de platino) y finalmente demostró un sistema de celda de combustible de 5 kilovatios en 1959.

La tecnología de celdas de combustible de Bacon fue licenciada por Pratt & Whitney y desarrollada hasta convertirse en las celdas de combustible del Programa Apolo que proporcionaban electricidad (y agua potable, como subproducto) a bordo de las naves espaciales Apolo de la NASA durante las misiones lunares de 1969-1972. Las celdas de combustible del Programa Apolo, que operaban con hidrógeno líquido y oxígeno líquido, representaron la primera aplicación práctica a gran escala de la tecnología de celdas de combustible y demostraron su potencial para la generación de energía confiable y eficiente en entornos exigentes. El éxito de las celdas de combustible en el Programa Apolo estimuló el interés en su potencial para aplicaciones terrestres.

El Hindenburg y la Seguridad del Hidrógeno

El desastre del Hindenburg del 6 de mayo de 1937, en el que la aeronave alemana LZ 129 Hindenburg se incendió y ardió mientras intentaba atracar en la Estación Aeronaval de Lakehurst en Nueva Jersey, matando a treinta y seis personas, se convirtió en la imagen definitoria del peligro percibido del hidrógeno y retrasó el desarrollo del hidrógeno como portador de energía durante décadas. El Hindenburg, la aeronave más grande jamás construida en ese momento, estaba lleno de aproximadamente doscientos mil metros cúbicos de hidrógeno — el único gas de elevación disponible, ya que los Estados Unidos se había negado a exportar helio, del cual tenía un monopolio efectivo, a la Alemania nazi. El incendio duró aproximadamente treinta y cuatro segundos y la destrucción total de la aeronave tomó aproximadamente treinta y siete segundos.

El icónico comentario radial del reportero Herb Morrison ("¡Oh, la humanidad!") y las dramáticas imágenes de noticieros de la aeronave en llamas crearon una duradera asociación pública entre el hidrógeno y el fuego catastrófico. Sin embargo, análisis posteriores han sugerido que el incendio del Hindenburg fue iniciado en realidad por la ignición de la cubierta exterior de tela de la aeronave — que estaba recubierta con un barniz altamente inflamable que contenía óxido de hierro y nitrato de celulosa — en lugar del hidrógeno en sí, y que el incendio de hidrógeno que siguió fue menos letal de lo que habría sido de esperarse en un incendio de combustible convencional de tamaño similar. La tasa de supervivencia fue realmente notablemente alta (sesenta y dos de las noventa y siete personas a bordo sobrevivieron) en parte porque el hidrógeno, al ser más liviano que el aire, arde hacia arriba y se aleja de las personas que están debajo, en lugar de fluir hacia abajo como lo hacen los combustibles líquidos.

No obstante, el desastre del Hindenburg puso fin efectivamente a la era de los dirigibles comerciales llenos de hidrógeno y creó en el público una percepción del hidrógeno como algo singularmente peligroso que ha persistido hasta el siglo veintiuno. Los expertos en seguridad generalmente consideran que esta percepción es exagerada: el hidrógeno, si bien presenta genuinamente diferentes desafíos de seguridad que los combustibles convencionales (su amplio rango de inflamabilidad, sus llamas invisibles y su extrema flotabilidad requieren protocolos específicos de ingeniería y manejo), no es inherentemente más peligroso que la gasolina o el gas natural cuando se implementan las medidas de seguridad adecuadas.

Cómo se Produce el Hidrógeno: el Espectro de Colores

La industria del hidrógeno ha desarrollado un sistema informal de clasificación por "colores" para distinguir el hidrógeno producido por diferentes métodos, principalmente según las emisiones de carbono asociadas con la producción. Si bien los colores no tienen significado químico — todo el gas hidrógeno es idéntico independientemente de cómo fue producido — la clasificación se ha vuelto ampliamente utilizada en debates de política y comunicaciones de la industria.

El hidrógeno gris se produce mediante el reformado de metano con vapor (SMR, por sus siglas en inglés), el método de producción de hidrógeno dominante a nivel mundial, que representa aproximadamente el cuarenta y ocho por ciento de la producción mundial de hidrógeno. El SMR hace reaccionar gas natural (principalmente metano) con vapor a alta temperatura (700-1000 grados Celsius) sobre un catalizador de níquel para producir hidrógeno y monóxido de carbono; el monóxido de carbono reacciona adicionalmente con vapor en una reacción de "desplazamiento de agua-gas" para producir hidrógeno adicional y dióxido de carbono. La reacción global consume una cantidad sustancial de energía (el proceso es endotérmico) y produce aproximadamente de nueve a doce toneladas de CO2 por cada tonelada de hidrógeno producido. El SMR es el método de producción de hidrógeno más barato en la actualidad, con costos típicamente en el rango de uno a dos dólares por kilogramo, lo que convierte al hidrógeno gris en la materia prima industrial dominante.

El hidrógeno marrón o negro se produce mediante la gasificación del carbón, en la que el carbón reacciona con vapor y oxígeno a altas temperaturas para producir una mezcla de hidrógeno, monóxido de carbono y dióxido de carbono (conocida como "gas de síntesis" o "syngas"). La gasificación del carbón se utiliza principalmente en China, que tiene la industria química basada en carbón más grande del mundo y utiliza extensamente el hidrógeno derivado del carbón en la producción de amoníaco y otras aplicaciones químicas. La gasificación del carbón produce aproximadamente de diecinueve a veinticuatro toneladas de CO2 por tonelada de hidrógeno — sustancialmente más que el SMR — lo que la convierte en el método de producción con mayor intensidad de carbono.

El hidrógeno azul se produce mediante SMR o gasificación del carbón con captura y almacenamiento de carbono (CCS, por sus siglas en inglés), en la que el CO2 producido se captura antes de ser liberado a la atmósfera y se inyecta en formaciones geológicas subterráneas para su almacenamiento permanente. El hidrógeno azul puede teóricamente lograr reducciones de emisiones de CO2 de ochenta a noventa por ciento en comparación con el hidrógeno gris, aunque la reducción real de emisiones depende de la eficiencia del sistema de captura de carbono y la gestión de las fugas de metano de la infraestructura de gas natural. El hidrógeno azul ha sido propuesto como una tecnología "puente baja en carbono" durante la transición al hidrógeno verde, con numerosos proyectos propuestos o en desarrollo en el Reino Unido, los Estados Unidos, Canadá, Australia y los Países Bajos. Los críticos argumentan que las fugas de metano de la infraestructura de producción y distribución de gas natural reducen sustancialmente el beneficio climático del hidrógeno azul en comparación con su valor teórico.

El hidrógeno verde se produce mediante la electrólisis del agua impulsada por electricidad renovable. La electrólisis del agua utiliza una corriente eléctrica para separar las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno: en el cátodo (electrodo negativo), los iones de hidrógeno ganan electrones y forman gas hidrógeno; en el ánodo (electrodo positivo), las moléculas de agua pierden electrones y forman gas oxígeno. Cuando la electricidad es proporcionada por energía eólica, solar o hidroeléctrica, la producción de hidrógeno verde no produce emisiones directas de gases de efecto invernadero. El hidrógeno verde es actualmente el método de producción de hidrógeno más costoso, con costos típicamente en el rango de tres a ocho dólares por kilogramo dependiendo de los costos de electricidad y los costos de capital del electrolizador — de dos a cuatro veces el costo del hidrógeno gris. Sin embargo, se espera que la rápida caída de los costos de la electricidad renovable y la tecnología de electrolizadores haga que el hidrógeno verde sea competitivo con el hidrógeno gris en muchas ubicaciones para la década de 2030.

El hidrógeno turquesa se produce mediante la pirólisis del metano — la descomposición térmica del metano a altas temperaturas (aproximadamente 600-1500 grados Celsius) en ausencia de oxígeno, produciendo hidrógeno y carbono sólido (negro de carbón) en lugar de CO2. Dado que el carbono se produce en forma sólida, teóricamente puede almacenarse o usarse como material industrial (el negro de carbón se usa en la fabricación de neumáticos, tinta y otras aplicaciones) sin liberar CO2 a la atmósfera. La pirólisis de metano se encuentra en una etapa temprana de desarrollo comercial, con empresas como Monolith Materials en Nebraska y BASF en Alemania desarrollando reactores a escala comercial.

El hidrógeno rosado (también llamado rojo o púrpura) se produce mediante la electrólisis del agua impulsada por electricidad nuclear. El hidrógeno rosado tiene esencialmente cero emisiones directas de carbono si la fuente de electricidad nuclear se considera libre de carbono. Japón y Francia han mostrado interés en el hidrógeno rosado como medio de utilizar sus grandes flotas nucleares para producir hidrógeno limpio.

El hidrógeno amarillo es un término menos utilizado para el hidrógeno producido por electrólisis utilizando electricidad de la red eléctrica — cuya intensidad de carbono depende de la composición de la mezcla energética de la red.

La producción global de hidrógeno a principios de la década de 2020 era de aproximadamente noventa y cinco millones de toneladas por año, de las cuales aproximadamente el noventa y cinco por ciento fue producido a partir de combustibles fósiles (principalmente gas natural y carbón) sin captura de carbono. El hidrógeno verde representaba menos del uno por ciento de la producción global — una fracción mínima que las estrategias de hidrógeno de muchos países aspiran a escalar dramáticamente.

El Proceso Haber-Bosch: la Mayor Aplicación Industrial del Hidrógeno

El proceso Haber-Bosch para la síntesis de amoníaco — la aplicación industrial más importante del hidrógeno — merece un examen extendido debido a su profundo impacto en la civilización humana y su centralidad en cualquier discusión sobre el papel del hidrógeno en los sistemas energéticos y alimentarios globales.

El nitrógeno atmosférico (N2) es el componente dominante de la atmósfera terrestre (aproximadamente el setenta y ocho por ciento en volumen) pero es químicamente inerte en condiciones ordinarias — el enlace triple entre los dos átomos de nitrógeno es uno de los enlaces más fuertes en química y requiere una energía sustancial para romperse. Sin embargo, el nitrógeno es un elemento esencial para el crecimiento de las plantas, y el ciclo del nitrógeno — los procesos biológicos y geoquímicos por los cuales el nitrógeno se convierte entre el N2 atmosférico y las formas biológicamente disponibles — fue la principal restricción sobre la productividad agrícola a lo largo de la historia humana.

Fritz Haber (1868-1934), trabajando en la Universidad Técnica de Karlsruhe en Alemania, abordó el problema de la fijación del nitrógeno desde 1904 en adelante, buscando un método práctico para convertir el nitrógeno atmosférico en amoníaco (NH3) — una forma que las plantas pueden utilizar. En 1909, Haber demostró un proceso a escala de laboratorio que hacía reaccionar nitrógeno e hidrógeno sobre un catalizador de hierro a alta temperatura (aproximadamente 400-600 grados Celsius) y alta presión (aproximadamente 200 atmósferas) para producir amoníaco: N2 + 3H2 → 2NH3. La idea clave fue que ni la temperatura sola ni la presión sola eran suficientes — la combinación de ambas, con el catalizador adecuado, permitió que la reacción procediera a una velocidad comercialmente viable.

Carl Bosch (1874-1940), trabajando en BASF (Badische Anilin und Soda Fabrik), lideró el notable esfuerzo de ingeniería para escalar el proceso de laboratorio de Haber a la producción industrial. El equipo de Bosch tuvo que desarrollar nuevos recipientes de reactor de alta presión capaces de soportar las condiciones corrosivas a 200 atmósferas y 500 grados Celsius, nuevas formulaciones de catalizadores que permanecieran activos durante largos períodos de operación, y enfoques de ingeniería de procesos completamente nuevos. La primera planta comercial de amoníaco Haber-Bosch comenzó a operar en Oppau, Alemania, en 1913, produciendo aproximadamente treinta toneladas de amoníaco por día. Tanto Haber como Bosch recibieron Premios Nobel de Química (Haber en 1918, Bosch en 1931) por sus contribuciones.

La importancia humanitaria del proceso Haber-Bosch es difícil de exagerar. Antes del fertilizante sintético de nitrógeno, los rendimientos agrícolas estaban limitados por la disponibilidad de fuentes naturales de nitrógeno — estiércol, rotaciones de leguminosas y depósitos minados de guano y nitrato (principalmente de Chile). El desarrollo del fertilizante sintético de amoníaco permitió aumentos dramáticos en los rendimientos de los cultivos, sustentando el crecimiento de la población mundial desde aproximadamente 1.600 millones en 1900 hasta aproximadamente 8.000 millones hoy en día. Los demógrafos estiman que sin el proceso Haber-Bosch, la tierra podría sustentar solo aproximadamente tres a cuatro mil millones de personas con los estándares nutricionales actuales — lo que significa que más de la mitad de los seres humanos vivos deben su existencia a este proceso químico.

El proceso Haber-Bosch consume aproximadamente ciento cincuenta millones de toneladas de gas natural por año a nivel global, produciendo aproximadamente doscientos millones de toneladas de amoníaco (del cual aproximadamente el ochenta por ciento se usa para la producción de fertilizantes). El hidrógeno consumido en este proceso — aproximadamente treinta millones de toneladas por año — representa aproximadamente un tercio de la producción mundial de hidrógeno. La descarbonización de la producción de amoníaco mediante la transición del hidrógeno gris al verde es una de las aplicaciones más importantes y potencialmente alcanzables a corto plazo de la electrólisis a gran escala, y es el foco de grandes inversiones por parte de empresas de fertilizantes y empresas energéticas en todo el mundo.

Electrolizadores: la Tecnología de la Producción de Hidrógeno Verde

El electrolizador — el dispositivo que utiliza electricidad para separar el agua en hidrógeno y oxígeno — es la tecnología central de la economía del hidrógeno verde. Tres tecnologías principales de electrolizadores están en uso o en desarrollo, cada una con diferentes características en términos de eficiencia, condiciones de operación, materiales y costo.

Los electrolizadores alcalinos, la tecnología más antigua y madura, utilizan un electrolito alcalino líquido (típicamente una solución de hidróxido de potasio) para conducir iones entre los electrodos. Los electrolizadores alcalinos han sido utilizados en aplicaciones industriales — incluyendo la producción de cloro-álcali e hidrógeno para la hidrogenación en la industria alimentaria — desde principios del siglo veinte. Son robustos, tienen largas vidas útiles y utilizan materiales de electrodo relativamente económicos (níquel en lugar de platino). Sus principales desventajas son una menor densidad de corriente (lo que significa más superficie — y más costo de capital — por unidad de producción de hidrógeno) y una capacidad limitada para operar de manera dinámica con entradas de electricidad renovable variable, ya que prefieren la operación en estado estacionario. Los grandes electrolizadores alcalinos de fabricantes como Nel Hydrogen (Noruega), ThyssenKrupp Nucera (Alemania) y Tianjin Continental (China) están disponibles comercialmente a escala de megavatios a cientos de megavatios.

Los electrolizadores de membrana de intercambio de protones (PEM, por sus siglas en inglés) utilizan una membrana de polímero sólido (típicamente una membrana de ácido perfluorosulfónico similar al Nafion) como electrolito. Los electrolizadores PEM pueden operar a altas densidades de corriente, responder rápidamente a entradas de electricidad variable (haciéndolos muy adecuados para combinarse con energía renovable intermitente) y producir hidrógeno de muy alta pureza. Sus principales desventajas son el mayor costo (debido al uso de catalizadores de metales del grupo del platino y materiales de membrana costosos) y una vida útil más corta que los sistemas alcalinos. Los fabricantes de electrolizadores PEM incluyen Siemens Energy (Alemania), ITM Power (Reino Unido), Nel Hydrogen, Plug Power (Estados Unidos) y muchos otros. La tecnología PEM ha dominado el mercado para sistemas de pequeña a mediana escala, pero está escalando rápidamente a instalaciones de cientos de megavatios.

Las celdas de electrolizador de óxido sólido (SOEC, por sus siglas en inglés) operan a temperaturas muy altas (típicamente 650-1000 grados Celsius), lo que mejora la eficiencia termodinámica y reduce la energía eléctrica requerida por unidad de hidrógeno producido. Los sistemas SOEC pueden lograr eficiencias de conversión eléctrica a hidrógeno de ochenta a noventa por ciento (en comparación con aproximadamente sesenta a setenta por ciento para los sistemas PEM y alcalinos a temperatura ambiente) cuando hay calor residual disponible para suministrar la entrada térmica. Son muy adecuados para su acoplamiento con reactores nucleares o procesos industriales que producen calor residual. La tecnología SOEC se encuentra en una etapa más temprana de comercialización que los sistemas alcalinos o PEM, pero empresas como Sunfire (Alemania), Haldor Topsøe (Dinamarca) y Ceres Power (Reino Unido) están desarrollando sistemas SOEC comerciales.

El costo de los electrolizadores ha disminuido rápidamente en los últimos años, siguiendo un patrón similar a las curvas de reducción de costos observadas para los paneles solares y las turbinas eólicas. Los costos de capital de los electrolizadores alcalinos cayeron de aproximadamente mil a dos mil dólares por kilovatio en 2010 a aproximadamente quinientos a mil dólares por kilovatio a principios de la década de 2020, y se proyectan reducciones adicionales a doscientos a cuatrocientos dólares por kilovatio para 2030 a medida que la fabricación escala. El principal impulsor del costo del hidrógeno verde es el precio de la electricidad — el costo de la electricidad renovable típicamente representa del sesenta al