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Una tesis defendida en la UPNA plantea avances para producir hidrógeno renovable más barato
El ingeniero químico Gonzalo Jiménez Martín estima un coste de 5 euros por kilogramo gracias a la mejora en la eficiencia de la tecnología utilizada
El ingeniero químico Gonzalo Jiménez Martín (Villabuena del Puente, Zamora, 1997) ha defendido en la Universidad Pública de Navarra (UPNA) su tesis doctoral, desarrollada en el Centro Nacional de Energías Renovables (CENER), que plantea mejoras para producir hidrógeno renovable con mayor eficiencia y menor coste mediante electrólisis de óxido sólido, una tecnología que lo obtiene a partir del agua usando electricidad y altas temperaturas. El trabajo reduce un 57 % las necesidades de calentamiento del sistema, sitúa en torno a 5 euros por kilogramo el coste del hidrógeno en el caso más favorable analizado en España, que se localiza en Puertollano (Ciudad Real), y concluye que ese coste podría bajar hasta 3,5 euros en determinados escenarios futuros.
Gonzalo Jiménez Martín, nuevo doctor por la UPNA, fotografiada en la Biblioteca del campus de Arrosadia.
“El hidrógeno de origen renovable se ha perfilado como una de las soluciones más prometedoras para avanzar hacia una economía más sostenible, especialmente, en sectores difíciles de descarbonizar como la industria, la generación de energía o el transporte pesado”, indica el investigador.
Una tecnología eficiente
En esta tesis, la tecnología analizada es la electrólisis de óxido sólido, una opción que funciona a elevadas temperaturas y que puede alcanzar “una alta eficiencia”, además de “ser posible la integración térmica con otros procesos industriales”. “Asimismo, ofrece una ventaja adicional: permite la conversión directa de vapor de agua y CO2 en gas de síntesis, una materia prima clave para producir combustibles sintéticos o productos químicos como el metanol”, apunta Gonzalo Jiménez Martín, cuya tesis ha sido dirigida por Mónica Aguado Alonso, profesora de la UPNA y responsable del Departamento de Integración en Red, Almacenamiento Eléctrico e Hidrógeno en CENER; Iñigo Garbayo Senosiain, responsable del área de Hidrógeno en CENER; y Xabier Judez López, investigador en la misma área de CENER.
Pese a sus ventajas, esta tecnología todavía presenta varios obstáculos para su implantación a gran escala. Por un lado, el funcionamiento a alta temperatura puede acelerar el deterioro de algunos componentes. Por otro, el sistema necesita calor externo para alcanzar las condiciones de operación requeridas, lo que reduce la eficiencia global y encarece tanto la inversión como la explotación, circunstancias que “dificultan su implantación comercial a gran escala”.
La tesis aborda precisamente estos retos con el objetivo de acercar esta tecnología a contextos industriales reales. Para ello, Gonzalo Jiménez Martín ha utilizado herramientas avanzadas de modelado y simulación que permiten analizar y optimizar el sistema en distintos niveles, desde “el diseño de sus componentes internos hasta su integración completa en una planta industrial”.
La importancia del diseño de los equipos
Una primera línea de la investigación analizó el componente principal del electrolizador, el equipo que produce el hidrógeno a partir del agua utilizando electricidad. Se trata del conjunto de celdas donde tiene lugar el proceso, conocidas como “stack”, que constituyen el núcleo del electrolizador. En concreto, el investigador estudió, mediante simulaciones de dinámica de fluidos computacional, cómo influye el diseño de algunas piezas principales del equipo en la circulación interna de los gases y en su rendimiento.
El estudio buscaba mejorar el funcionamiento interno de la parte del equipo donde se produce el hidrógeno, de modo que los gases, el calor y la electricidad se distribuyeran de forma más uniforme. Esto es importante porque un funcionamiento más equilibrado permite aumentar el rendimiento y reducir la degradación de los componentes. A partir de esos resultados, y teniendo en cuenta también aspectos relacionados con la fabricación y con los materiales empleados, la investigación permitió definir un diseño que sirvió de base para el primer desarrollo de esta tecnología realizado por CENER.
Otro de los ejes principales de la investigación fue reducir la necesidad de calor externo. Dado que estos electrolizadores operan a alta temperatura, una de las claves es aprovechar mejor la energía térmica disponible dentro del propio proceso. Para ello, la tesis desarrolló un modelo detallado del sistema completo que permitió analizar cómo se distribuyen los flujos de materia y energía dentro del proceso. A partir de esa información, se aplicaron estrategias de integración térmica, una metodología empleada en la industria para optimizar el uso del calor, y se diseñó un sistema para reutilizar mejor el calor generado dentro del propio proceso.
“Como resultado, se lograron reducir las necesidades de calentamiento en un 57 % y las de enfriamiento, en un 67 % frente a otros diseños propuestos en la literatura científica —afirma Gonzalo Jiménez Martín—. En concreto, el sistema optimizado requiere alrededor de 8 kWh de calor por kilogramo de hidrógeno producido, un valor alineado con los objetivos marcados por la Comisión Europea para esta tecnología”.
El coste de producción
La tesis también analiza uno de los aspectos decisivos para la futura implantación de este tipo de electrolizadores: el coste. Además de la inversión inicial, uno de los factores que más condicionan el precio final del hidrógeno es el coste de la energía necesaria para producirlo. Por este motivo, el investigador estudió la viabilidad técnico-económica de implantar estos sistemas en España, un contexto elegido “por sus bajos costes de electricidad y por su elevado recurso solar”.
El caso de estudio seleccionado consistió en un sistema de electrólisis de óxido sólido acoplado a una planta fotovoltaica con almacenamiento en baterías. A partir del modelo previamente desarrollado, el trabajo obtuvo datos sobre el consumo de materias primas, los servicios generales de planta, la producción de hidrógeno y el diseño preliminar de equipos. Después, comparó distintas ubicaciones industriales en España para calcular el coste nivelado del hidrógeno, “un indicador que refleja cuánto cuesta producir cada kilogramo a lo largo de la vida útil de la instalación”.
El algoritmo desarrollado en la tesis ha permitido determinar el tamaño óptimo de la planta solar, del sistema de baterías y de las condiciones de operación necesarias para minimizar costes en cualquier emplazamiento. Entre los casos analizados, Puertollano presenta las condiciones más favorables, con “un coste estimado en torno a 5 euros por kilogramo de hidrógeno para un sistema de 1,5 MWp acoplado a una planta fotovoltaica de 3,5 MWp y baterías de 1,25 MWh”.
Según los resultados del estudio, ese coste podría reducirse hasta 3,5 euros por kilogramo en un futuro si se producen determinadas circunstancias, como una bajada de los costes de fabricación de los “stacks”, una mejora de su vida útil o una reducción del coste de las baterías. Este coste se sitúa por debajo del índice MIBGAS IBHYX (en torno a 6 euros por kilogramo, en marzo de 2026), un índice que representa el coste teórico estandarizado del hidrógeno renovable en la península ibérica, pero aún por encima al del hidrógeno obtenido a partir de combustibles fósiles (alrededor de 2,5 euros por kilogramo).
En conjunto, el trabajo aporta un enfoque integral para el avance de esta tecnología, ya que analiza el sistema en sus distintos niveles: desde el diseño de componentes hasta su integración en planta y su evaluación económica. “Los resultados demuestran que se pueden lograr mejoras significativas en la eficiencia mediante un diseño optimizado del ‘stack’ y del sistema, y que la producción de hidrógeno a un coste competitivo es viable en España, siempre que el coste y la durabilidad del sistema alcancen las perspectivas de mejora esperadas. Estos hallazgos aportan un gran valor para la implementación de sistemas de electrólisis de óxido sólido en contextos industriales reales”, concluye Gonzalo Jiménez Martín.
Breve currículum
Gonzalo Jiménez Martín se graduó en Ingeniería Química por la Universidad de Salamanca, donde recibió el premio al segundo mejor expediente de la promoción 2019/2020 concedido por la Real Sociedad Española de Química en su sección territorial de Salamanca. Posteriormente, cursó el Máster Interuniversitario en Ingeniería Química impartido por la Universidad del País Vasco y la Universidad de Cantabria.
Inició su trayectoria investigadora en 2021 en CIC EnergiGUNE (Vitoria), donde realizó sus prácticas de máster en el grupo de Prototipado de Celdas. Tras finalizar esa etapa, en 2022 se incorporó al Departamento de Integración en Red, Almacenamiento Eléctrico e Hidrógeno de CENER, donde ha compaginado el desarrollo de su tesis doctoral con la participación en otros proyectos relacionados con la cadena de valor del hidrógeno renovable.
Durante este periodo, también realizó una estancia de investigación en el Institute of Power Engineering – National Research Institute de Varsovia (Polonia). En la actualidad, cuenta con cinco publicaciones en revistas científicas indexadas y ha participado en congresos internacionales de referencia, como el 18th International Symposium on Solid Oxide Fuel Cells, organizado por la Electrochemical Society, o la primera edición de la European PhD Hydrogen Conference, organizada por Hydrogen Europe Research.
