En la industria de la energía del hidrógeno, los generadores de hidrógeno PEM y alcalinos son dos tecnologías principales para producir hidrógeno a partir del agua. Como ingeniero en este campo, a menudo me preguntan cómo vemos los expertos estos dos enfoques y cuáles son sus ventajas y desventajas. Compararé la tecnología PEM y la alcalina en cinco dimensiones clave: diferencias en el principio técnico, costo y eficiencia, escenarios de aplicación, madurez técnica y mantenimiento, y tendencias futuras. Esto te ayudará a comprender fácilmente las diferencias y tomar una decisión informada.

SZPE 600
Generador de hidrógeno PEM
Alkaline Hydrogen generator
Generador de hidrógeno alcalino

Diferencias en el principio técnico

Primero, cubramos el principio operativo básico de cada tecnología. Tanto los sistemas PEM como los alcalinos son tipos de electrolizadores de agua: separan el agua (H₂O) en hidrógeno (H₂) y oxígeno (O₂) utilizando electricidad. Pero lo hacen de maneras diferentes con materiales distintos, lo que conduce a características muy diferentes.

Generador de hidrógeno PEM (Membrana de intercambio de protones): En un generador de hidrógeno PEM, el electrolito es una membrana sólida conductora de protones. Piénsalo como una película plástica especial (típicamente un polímero de ácido perfluorosulfónico) que permite el paso de protones (iones H⁺) pero bloquea electrones y gases. Se alimenta la célula PEM con agua pura. Cuando se aplica corriente continua, el agua en el lado del ánodo se divide en oxígeno, protones y electrones. Los protones migran a través de la membrana hasta el lado del cátodo. Los electrones circulan por un circuito externo (realizando trabajo útil o al menos generando calor) y se encuentran con los protones en el cátodo, donde se recombinan para formar gas hidrógeno. La membrana también sirve como barrera para mantener separados los gases de hidrógeno y oxígeno. Los materiales clave dentro de una célula PEM incluyen la propia membrana y los electrodos recubiertos de catalizador (típicamente usando metales preciosos como platino en el cátodo e iridio o similar en el ánodo). Todo en una célula PEM está diseñado para ser resistente a la corrosión porque el entorno es ácido (la membrana es ácida). Por ejemplo, las placas bipolares y la estructura suelen estar hechas de titanio o metal recubierto para soportar el ácido.

  • Generador de hidrógeno alcalino: Un generador de hidrógeno alcalino utiliza un electrolito líquido, normalmente una solución alcalina concentrada como hidróxido de potasio (KOH) en agua. Tiene dos electrodos (a base de níquel u otros metales económicos) sumergidos en el electrolito, separados por un diafragma poroso. El diafragma (históricamente asbesto, ahora a menudo polímeros avanzados) permite el paso de iones pero mantiene los gases separados. Al aplicar energía, en el cátodo las moléculas de agua se reducen: H₂O + electrones -> H₂ + OH⁻ (iones hidróxido). Los iones OH⁻ migran a través del líquido y el diafragma hasta el ánodo, donde se oxidan: OH⁻ -> O₂ + H₂O + electrones. El resultado neto es que aparece burbujas de gas hidrógeno en el cátodo y oxígeno en el ánodo, con el diafragma evitando que se mezclen. El entorno alcalino significa que todo está empapado en una solución de pH alto (cáustica), por lo que los materiales deben soportar eso (acero inoxidable, níquel, etc., que afortunadamente pueden manejar sin necesidad de metales preciosos).

Entonces, ¿cuál es la diferencia práctica entre estos enfoques? Destacaremos algunos puntos:

  • Materiales y costo: Debido a que un electrolizador PEM opera en un entorno fuertemente ácido (dentro del conjunto de membrana y electrodo), requiere catalizadores y componentes que puedan soportar eso. Esto normalmente implica metales del grupo del platino para los catalizadores y metales resistentes a la corrosión como el titanio para algunos componentes, lo cual es caro. Los electrolizadores alcalinos, en cambio, no necesitan catalizadores de metales nobles: pueden usar metales más baratos como níquel o acero niquelado para los electrodos, y separadores menos exóticos. Los electrodos en los sistemas alcalinos no contienen platino, lo que es una gran razón por la que la tecnología alcalina históricamente tiene un costo más bajo. El inconveniente: el electrolito de KOH también es corrosivo, pero es un tipo de corrosión que materiales más económicos (como ciertos aceros inoxidables o aleaciones) pueden soportar durante largos periodos, por lo que se evitan los costos de materiales de gama muy alta.
  • Densidad de corriente y tamaño: Las células PEM generalmente operan a densidades de corriente mucho más altas que las células alcalinas. Es común que los PEM funcionen por encima de 1 A/cm² de área de electrodo, lo que es al menos 4× la densidad de corriente de una célula alcalina tradicional. En términos simples, puedes generar mucha más producción de hidrógeno a través de una misma área activa en un sistema PEM. Esto hace que los sistemas PEM sean más compactos para la misma producción. Puede que escuches en la industria que los electrolizadores PEM tienen una huella más pequeña para una capacidad de hidrógeno dada. Los sistemas alcalinos, al funcionar a una densidad de corriente más baja, generalmente necesitan electrodos más grandes o más celdas para producir la misma cantidad de H₂. (Para ser justos, los electrolizadores alcalinos modernos han mejorado la densidad de corriente en cierta medida, pero los PEM siguen liderando en este aspecto). Las células PEM también utilizan un diseño de espacio cero (los electrodos se presionan directamente contra la membrana), lo que reduce la resistencia interna y aumenta la eficiencia. Las células alcalinas históricamente tenían un espacio entre el electrodo y el diafragma (para permitir la circulación del electrolito), lo que añadía resistencia y limitaba el rendimiento, aunque los diseños alcalinos más nuevos también intentan minimizar este espacio.
  • Pureza del gas: Debido a que la membrana de un electrolizador PEM es sólida y no sale electrolito líquido con los gases, el hidrógeno de PEM tiene una pureza muy alta: típicamente 99.999% o más, esencialmente libre de contaminantes. Los electrolizadores alcalinos producen hidrógeno ligeramente menos puro, generalmente alrededor de 99.5–99.9%. El hidrógeno puede arrastrar pequeñas gotas de KOH o vapor de agua si no se seca correctamente. Por lo general, los sistemas alcalinos incluyen pasos de purificación de gas (como separadores de niebla, secadores, etc.) para obtener H₂ de alta pureza. Pero inherentemente, el hidrógeno PEM es más limpio, lo cual es una gran ventaja si se necesita hidrógeno ultrapuro (por ejemplo, para electrónica o pilas de combustible). En la industria se señala que los PEM pueden alcanzar la pureza especificada sin purificación adicional, mientras que los alcalinos podrían requerir filtración/purificación adicional para ciertos usos sensibles.
  • Flexibilidad operativa: Esta es una diferencia clave. Los electrolizadores PEM tienen una excelente respuesta dinámica: pueden aumentar o disminuir rápidamente, e incluso permanecer inactivos para luego comenzar a producir hidrógeno a pleno rendimiento en segundos. Esto los hace ideales para entradas de energía variables como las fuentes renovables que fluctúan. Puedes encender, apagar o modular un electrolizador PEM sin mucha pérdida de eficiencia o desgaste (dentro de lo razonable). Los electrolizadores alcalinos, por otro lado, generalmente prefieren la operación en estado estable. A menudo tienen un rango de reducción más limitado: por ejemplo, pueden operar bien hasta aproximadamente el 20% de la carga completa, por debajo de lo cual la pureza del gas y la eficiencia se ven afectadas. Además, si detienes y arrancas bruscamente una unidad alcalina, pueden producirse transitorios de presión y concentración que no son buenos para el sistema. El control avanzado puede mitigar esto, pero en la práctica las unidades alcalinas suelen funcionar continuamente o con ajustes lentos. Así que, para escenarios de energía que van encendido/apagado/encendido/apagado, el PEM se considera generalmente la tecnología más adecuada en la industria. Esto no significa que los alcalinos no puedan manejar fluctuaciones: sí pueden, pero con más esfuerzo (como agregar sistemas de amortiguación o operar en un rango más estrecho).
  • Temperatura y presión: Tanto los sistemas PEM como los alcalinos suelen usar electrólisis a baja temperatura (a diferencia de la óxido sólido a alta temperatura). Operan alrededor de 50–80 °C. Los sistemas alcalinos históricamente funcionan cerca de la presión atmosférica (0–30 bar típicamente, muchos en ~1–10 bar). Los sistemas PEM pueden diseñarse más fácilmente para entregar hidrógeno a alta presión: por ejemplo, algunos electrolizadores PEM pueden suministrar H₂ directamente a 30 bar o más. La membrana sólida puede actuar como barrera de presión (puedes tener H₂ a alta presión en el lado del cátodo y O₂ a presión cercana al ambiente en el lado del ánodo). Esto es más difícil con los alcalinos porque toda la celda está llena de líquido; presurizarla significa que todo (tanto los lados de hidrógeno y oxígeno como el líquido) está bajo presión. Por lo tanto, el PEM se integra bien con aplicaciones que requieren hidrógeno presurizado (como inyección en tuberías o abastecimiento), a veces eliminando la necesidad de una etapa de compresor separada.
  • Corrosividad y seguridad: Los electrolizadores alcalinos usan un líquido cáustico (KOH) que es corrosivo y representa un riesgo de manejo. Esto significa que el sistema necesita bombas, tanques y tuberías para el electrolito, todos los cuales deben ser resistentes a la base concentrada caliente. El personal de mantenimiento debe tener cuidado con fugas o contacto con KOH (es resbaladizo y puede quemar la piel). Los electrolizadores PEM, en contraste, usan solo agua pura y una membrana sólida, sin líquido cáustico circulando. La parte corrosiva está básicamente confinada dentro de la membrana y las capas de catalizador. Así que fuera del conjunto, un sistema PEM es principalmente tuberías de agua, hidrógeno y oxígeno, mucho más benigno si ocurre una fuga. Esta diferencia suele mencionarse al considerar sistemas pequeños o móviles: transportar tanques de KOH o lidiar con su eliminación es una desventaja de los sistemas alcalinos. Las unidades PEM son más limpias y más fáciles de operar en ese sentido.

Comparación de costo y eficiencia

En cuanto al costo, muchos profesionales de la industria reconocen que los generadores de hidrógeno alcalinos tienen un precio inicial más bajo ya que utilizan materiales más comunes y de bajo costo. En contraste, los generadores de hidrógeno PEM incorporan catalizadores de metales nobles costosos y membranas especializadas, lo que hace que su costo por unidad sea más alto en cada sistema. Sin embargo, en proyectos a gran escala, los sistemas PEM pueden terminar con menores gastos de operación y mantenimiento a lo largo del tiempo: un análisis sugiere que el costo total de propiedad de una instalación PEM puede incluso ser inferior al de una instalación alcalina a largo plazo, con costos de mantenimiento de PEM estimados en aproximadamente un tercio de los de los sistemas alcalinos. En términos de eficiencia, las unidades PEM suelen alcanzar alrededor del 70–80% de eficiencia energética, generalmente un poco más alta que la de los sistemas alcalinos. Dicho esto, la electrólisis alcalina es una tecnología bien perfeccionada que ofrece un rendimiento estable a altas cargas, por lo que al sopesar “costo vs. eficiencia”, la elección óptima realmente depende de las necesidades y prioridades específicas de cada proyecto.

Escenarios de aplicación

Cada tecnología tiene sus fortalezas en diferentes escenarios. Las grandes instalaciones industriales de hidrógeno (como las de plantas químicas o siderúrgicas) a menudo prefieren los generadores de hidrógeno alcalinos porque ofrecen una alta producción de hidrógeno a menor costo y pueden ampliarse fácilmente. En el sector del transporte (por ejemplo, en estaciones de suministro de hidrógeno para vehículos con pila de combustible), los sistemas PEM suelen considerarse más adecuados debido a su mayor pureza de hidrógeno y su rendimiento más sensible. Para instalaciones que deben aumentar y disminuir rápidamente con energía renovable fluctuante, la capacidad de respuesta rápida del PEM es una gran ventaja. Además, para sistemas de hidrógeno a pequeña escala o domésticos, las unidades PEM—funcionando solo con agua pura sin electrolito líquido cáustico—son más sencillas de mantener. Esto también significa que presentan menores riesgos de seguridad, lo que resulta más tranquilizador para su uso en entornos no industriales. Vale la pena señalar que ambas tecnologías son bastante versátiles y pueden funcionar en la mayoría de los sectores; los expertos de la industria generalmente las emparejan con necesidades específicas como se describió anteriormente para recomendar la solución adecuada a los clientes.

Madurez técnica y mantenimiento

En cuanto a madurez, la electrólisis alcalina es la “veterana” de la industria: existe desde hace casi un siglo y ha demostrado una durabilidad fiable en grandes proyectos industriales (algunos del orden de más de 100 MW). La tecnología PEM, en comparación, es la recién llegada; se ha comercializado durante menos tiempo, y los mayores proyectos PEM actualmente solo alcanzan alrededor de 20 MW, por lo que hasta ahora hay menos datos a largo plazo a gran escala. En lo que respecta al mantenimiento, un sistema alcalino utiliza un electrolito líquido de hidróxido de potasio (KOH), lo que implica tareas regulares de mantenimiento de componentes como bombas y válvulas y una gestión cuidadosa del fluido cáustico; la ventaja es que las unidades alcalinas no son muy exigentes con la calidad del agua y pueden incluso usar agua industrial estándar sin problemas. Los sistemas PEM, por otro lado, no tienen grandes tanques de electrolito líquido, lo que simplifica el mantenimiento rutinario. Sin embargo, requieren agua desionizada de pureza extremadamente alta y un monitoreo estricto para evitar que impurezas dañen la membrana y los catalizadores. En resumen, el equipo alcalino gana por su estabilidad probada en el tiempo y sus prácticas de mantenimiento bien entendidas, mientras que el equipo PEM reduce las tareas de servicio diario pero impone requisitos más altos sobre su entorno de operación y la pureza de la materia prima.

Tendencias futuras y preferencias de la industria

De cara al futuro, la expectativa general en la industria es que ambas tecnologías de electrólisis seguirán avanzando en paralelo y complementándose mutuamente. A corto plazo, se proyecta que los electrolizadores alcalinos mantendrán su dominio: actualmente se estima que entre el 70 y el 90% de la nueva capacidad de electrolizadores a nivel mundial proviene de la tecnología alcalina, una tendencia que probablemente continuará en los próximos años. Sin embargo, a medida que la tecnología mejora y los costos bajan, el interés en el PEM está en ascenso, y más empresas están considerando opciones PEM en sus nuevos proyectos de hidrógeno. Muchos expertos señalan que la tecnología PEM aún tiene un margen significativo para la reducción de costos y la mejora del rendimiento, mientras que la tecnología alcalina ya se encuentra cerca del fondo de su curva de costos. Por ejemplo, se están llevando a cabo esfuerzos para reducir la dependencia del PEM de catalizadores de metales preciosos y para desarrollar nuevos materiales de membrana, lo que podría disminuir los costos y aliviar las limitaciones de recursos; al mismo tiempo, los sistemas alcalinos se están mejorando con innovaciones como presiones de operación más altas y control digital para optimizar aún más su rendimiento. En general, la visión de la industria es que cada tecnología servirá a su propio nicho: los electrolizadores alcalinos seguirán siendo la fuerza de trabajo para la producción de hidrógeno a gran escala y de base, mientras que los electrolizadores PEM desempeñarán un papel cada vez más importante en aplicaciones que demandan una respuesta más dinámica, hidrógeno de mayor pureza o una integración estrecha con la energía renovable. Con la demanda de hidrógeno verde prevista para dispararse (se pronostica que la capacidad global de electrolizadores pasará de menos de 1 GW hoy a decenas de gigavatios en la próxima década), ambas tecnologías tienen un amplio margen de crecimiento. De hecho, la mayoría en la industria ve los sistemas alcalinos y PEM como soluciones complementarias que, juntas, impulsarán el sector del hidrógeno hacia adelante.

Conclusión

En resumen, desde la perspectiva de un conocedor de la industria, los generadores de hidrógeno PEM y alcalinos tienen cada uno sus fortalezas: no hay un “ganador” único para todos. Los sistemas alcalinos son robustos, rentables y muy adecuados para la producción de hidrógeno a gran escala y constante, mientras que los sistemas PEM son flexibles y eficientes, ofreciendo hidrógeno ultrapuro y destacando en escenarios que requieren una respuesta rápida y alta pureza del gas. Para los clientes potenciales, la clave es identificar sus necesidades y prioridades específicas de aplicación, luego elegir la tecnología que mejor se alinee con esos requisitos. Si tienes dudas, es buena idea consultar con expertos de la industria o contáctanos para obtener asesoría profesional. Al fin y al cabo, sea cual sea la tecnología que elijas, el objetivo final es implementar una solución de hidrógeno verde rentable y sostenible, y ese es el resultado que toda la industria busca alcanzar.