Hidrógeno verde

Resumen

El cambio climático representa un gran desafío para la comunidad mundial; para resolverlo, muchos países se han comprometido a alcanzar emisiones cero de dióxido de carbono (CO₂) para mediados de este siglo, con el objetivo de limitar el aumento de temperatura global, para esto es necesaria una amplia mitigación de emisiones de gases de efecto invernadero. Bajo este contexto, y considerando que el hidrógeno es un elemento que se encuentra en diversas fuentes en nuestro planeta y que puede utilizarse como combustible en diferentes industrias como la eléctrica o la química, representa una excelente opción para disminuir la dependencia de los combustibles fósiles a nivel mundial y así ayudar a la mitigación de emisiones de C0₂. Existen diferentes procesos para la obtención del hidrógeno, algunos de los cuales consumen mucha energía y producen CO₂. Actualmente los avances tecnológicos permiten la obtención de hidrógeno sin emitir CO₂, se le conoce como ?hidrógeno verde? o hidrógeno renovable. El hidrógeno, en general, es un portador de energía adecuado para numerosas aplicaciones conectadas a redes eléctricas, que requieren una alta densidad energética o incluso generación de calor e incluso en transporte eléctrico.

A continuación, se presenta el potencial del hidrógeno verde para convertirse en el combustible del futuro, ayudar a la mitigación de gases de efecto invernadero, y así evitar el cambio climático, además de poder utilizarse en forma sustentable.

¿Qué es el hidrógeno?

El hidrógeno es el elemento químico más ligero y abundante del universo. En nuestro planeta se encuentra en numerosos compuestos, en particular éste se encuentra combinado con el oxígeno para formar el agua (H₂O). En la naturaleza no es frecuente encontrar hidrógeno puro, ya que reacciona prácticamente con toda la tabla periódica para formar agua, sales, hidruros, ácidos, metano, amoníaco, polímeros, etcétera. El hidrógeno debe ser previamente extraído de dichos compuestos para poder ser utilizado como combustible.

A diferencia de lo que ocurre en la combustión de los combustibles fósiles (petróleo, gasolina, gas natural, combustóleo, etcétera), inclusive con la biomasa, que producen gran cantidad de gases contaminantes, principalmente CO₂, el hidrógeno en su combustión produce solo agua, lo que significa que no emite gases de efecto invernadero. Sin embargo, hay otros medios de uso del hidrógeno más eficientes que la combustión y es su transformación directa en electricidad a través de celdas de combustible. Razones por las cuales es particularmente apropiado para sustituir a los combustibles fósiles.

Producción de hidrógeno

Debido a la combustión libre de CO₂ del hidrógeno, es un combustible de gran importancia en los planes mundiales de descarbonización, sin embargo, el hidrógeno molecular no se encuentra en la naturaleza, por lo cual es necesario obtenerlo a partir de otras moléculas. Se tiene el inconveniente de que los diferentes procesos para su obtención requieren energía; dependiendo del proceso y de la materia prima, será la cantidad de energía necesaria para su producción. El hidrógeno puede obtenerse de diversas maneras, algunas más eficientes que otras.

Uno de los procesos más importantes para generar hidrógeno es a partir de agua mediante electrólisis, en la que se hace pasar corriente eléctrica para descomponer la molécula de agua en sus componentes oxígeno e hidrógeno. Sin embargo, existen otros procesos como:

Ya que estos procesos requieren extraer el hidrógeno de otra molécula, siendo las dos principales y más abundantes el agua y los hidrocarburos, las tecnologías se clasifican de acuerdo a su proceso de obtención.

Tecnología	Materia prima
Reformado de vapor	Hidrocarburos
Oxidación parcial	Hidrocarburos
Reformado auto-térmico	Hidrocarburos
Reformado de plasma	Hidrocarburos
Gasificación de biomasa	Biomasa
Reformado de fase acuosa	Carbohidratos
Electrólisis	H2O
Termólisis	H2O
Fotólisis	H2O

Principales tecnologías de producción de hidrógeno.

Los colores del hidrógeno

Aunque el hidrógeno no tiene color, en recientes años se han utilizado colores para referirse a los diferentes procesos de producción de hidrógeno.

De acuerdo con la materia prima utilizada en su producción y las emisiones de CO2 que se generen en el proceso, al hidrógeno lo denominan con los siguientes "códigos" de colores:

Hidrógeno gris: Es producido a partir de combustibles fósiles, principalmente gas natural, lo cual se asocia con emisiones de gases de efecto invernadero. Este proceso sigue generando emisiones contaminantes que contribuyen al calentamiento global.

Hidrógeno azul: Es producido a partir de combustibles fósiles, pero utilizando en el proceso la captura, compresión y almacenamiento de CO2, y aunque no se emite CO2 a la atmósfera, el proceso para almacenarlo es motivo de costos adicionales dentro de esta forma de obtención de hidrógeno.

Hidrógeno turquesa: Es producido utilizando biomasa como combustible a través de la pirólisis para producir hidrógeno en un proceso endotérmico y en donde el carbón presente en las moléculas de la biomasa, no se transforma en CO2 sino en carbón sólido.

Hidrógeno verde: A diferencia de los otros colores, se obtiene utilizando fuentes de energía renovable, como la solar y la eólica. Se utiliza el proceso llamado P2G (por sus siglas en inglés, power-to-gas), en el cual se utiliza excedentes de energía eléctrica para producir gas, en este caso, energía eléctrica generada por energías renovables para producir hidrógeno vía electrolítica, con la ventaja de que no se crean emisiones de gases de efecto invernadero.

Otros colores incluyen el café, a veces llamado negro, referente al uso de carbón para generar hidrógeno y CO2. Sin embargo, el uso de colores no es una práctica técnica y puede ser confusa. La transparencia de los productos energéticos, incluido el hidrógeno es crucial. El Sistema de Certificación CertifHy de la Unión Europea, tiene como objetivo informar al consumidor sobre el origen del producto y sus características ambientales, para facilitar el cumplimiento de requisitos reglamentarios. El llamado hidrógeno verde y bajo en carbono, es clave para la transición energética y así conseguir objetivos climáticos. La certificación del origen del hidrógeno deberá dar claridad sobre el origen de este combustible y su posible impacto ambiental.

La economía y políticas del hidrógeno verde

El hidrógeno verde tendrá que superar varias barreras para desarrollar todo su potencial. La principal de esas barreras es el costo. Para superar los obstáculos se requerirá una política dedicada en cada una de las etapas: tecnológica, economía y políticas aplicadas para facilitar su penetración en toda la industria (eléctrica, cementera, transporte, etcétera) a nivel global. Para esto se necesita un enfoque integrado de políticas y economías para superar la resistencia inicial y alcanzar las metas esperadas en la mitigación de las emisiones de gases de efecto invernadero a nivel global, esto se puede lograr por medio de estrategias nacionales de uso de hidrógeno, identificando políticas adecuadas y habilitadoras, así como crear un sistema para garantizar la producción del hidrógeno verde, como el CertifHy.

Usos y ventajas del hidrógeno verde

El hidrógeno verde presenta como principal ventaja su gran potencial para contribuir con el objetivo de ayudar a disminuir el calentamiento global para el año 2050 o antes, y es una oportunidad clara para desarrollar su utilización. Como vector energético propiciará la integración de sectores como la electricidad, gas, industria y transporte, y permitirá optimizar la energía disponible, al poder ser almacenado para su uso posterior in situ ?aprovechando así los excedentes de producción de energía renovable no gestionable? o para ser transportado y utilizado en otro sitio, por ejemplo a través de su venta en mercados internacionales.

Los usos principales que pueden darse al hidrógeno son:

Transporte del hidrógeno verde

El hidrógeno contiene más energía por unidad de masa que el gas natural o la gasolina, sin embargo, al ser el elemento más ligero tiene una baja densidad energética por unidad de volumen. Esto significa que se deben mover mayores volúmenes de hidrógeno para satisfacer demandas de energía idénticas en comparación con otros combustibles. Esto se puede lograr, por ejemplo, mediante el uso de tuberías más grandes o de flujo más rápido y tanques de almacenamiento más grandes. Al igual que otros portadores de energía, presenta ciertos riesgos para la seguridad cuando se usa a gran escala. El hidrógeno es tan pequeño que puede difundirse en algunos materiales, incluidos algunos tipos de tuberías de hierro y acero, y aumentar su probabilidad de falla. También escapa más fácilmente a través de sellos y conectores que otras moléculas más grandes, como el gas natural. Aunque es un gas no tóxico, su alta velocidad de llama, su amplio rango de ignición y su baja energía de ignición lo hacen altamente inflamable. Tiene una llama que no es visible a simple vista y es incoloro e inodoro, lo que dificulta que las personas detecten incendios y fugas. Sin embargo, las condiciones de riesgo son menos probables que con otros combustibles convencionales, ya que es difícil que este gas se acumule dada su facilidad de disipación, adicionalmente se tienen años de experiencia en el uso industrial del hidrógeno y existen protocolos para su manejo seguro y para la infraestructura de reabastecimiento de hidrógeno. Aun así, su uso generalizado en el sistema energético presenta nuevos desafíos que deben ser resueltos por personal especializado.

Por lo anterior, el transporte de hidrógeno es un tema relevante en la cadena de suministro, tanto desde el punto de vista medioambiental, de seguridad, técnico y económico.

Una de las opciones propuestas para la distribución del hidrógeno, es aprovechar la logística actual de ductos, sobre todo en las regiones donde ya se tienen ductos de gas natural, lo cual ayudará a disminuir costos para su distribución, esta opción es la más barata para transportar hidrógeno a distancias medias, aunque se están evaluando otras opciones para el transporte de hidrógeno a larga distancia, estas incluyen hidrógeno licuado, aunque es costoso o bien, en forma de algún compuesto como el amoníaco lo que agrega procesos de conversión y extracción del hidrógeno, pero puede abaratar su transporte.

La elección de la mejor solución para la distribución del hidrógeno estará relacionada con la ubicación de las instalaciones de generación de hidrógeno. Al considerar el hidrógeno verde, la estrategia óptima de ubicación dependerá de la disponibilidad de electricidad renovable y del punto final de uso, algo similar a la transmisión de electricidad a través de redes eléctricas. El costo de transporte de hidrógeno puede tener un impacto fuerte en la economía de su uso, sin embargo, también su generación en forma distribuida en lugar de grandes instalaciones centralizadas, puede facilitar su disponibilidad sin el factor del costo por su traslado.

Tecnologías para facilitar el uso del hidrógeno verde

Existen tecnologías avanzadas para la producción de hidrógeno, pero para tener un futuro con más energía verde, incluyendo el hidrógeno, se deben considerar las tecnologías de energías renovables, en especial la solar y la eólica considerando su madurez comercial y costos cada vez más competitivos. La energía excedente de electricidad renovable, eólica, solar o hidráulica se puede aprovechar convirtiéndola en otras formas de energía, en este caso hidrógeno verde, con lo cual se facilita el almacenamiento de energía en forma de hidrógeno, para su uso posterior.

La mejor opción del proceso P2G es convertir excedentes de energía renovable en hidrógeno mediante electrólisis. Este hidrógeno se puede usar de inmediato en otras aplicaciones distintas a la de inyectar a la red eléctrica, o se puede almacenar (almacenamiento de energía) y recuperarse cuando el recurso natural renovable es bajo o no está disponible.

El hidrógeno almacenado se puede utilizar de varias formas: por ejemplo, introducir hidrógeno como combustible en la red de gas natural, combinándose con, o sustituyendo al gas natural, o bien, mediante un proceso de metanización con CO₂ producir metano sintético. El metano se puede inyectar en la red de gas natural en sustitución del gas natural. La fuente de CO₂ para el proceso de metanización podría ser el biogás producido a partir de residuos biológicos en plantas de biogás o plantas de aguas residuales e incluso el propio CO₂ capturado de procesos donde se produce o emite.

Así, el hidrógeno se puede utilizar en la producción de metanol o amoníaco y uso en celdas de combustible en automóviles y barcos, o como se mencionó antes, para combustibles sintéticos para plantas térmicas convencionales. Todo esto se logra a través de una síntesis que involucra hidrógeno y una fuente de CO₂, la cual podría provenir del proceso de conversión de desechos en biogás.

El hidrógeno verde también se puede utilizar en el refinado de combustible (hidrogenación) en refinerías convencionales, o como sustancia química básica en muchas industrias (power-to-chemical, power-to-plastics). Por último, el hidrógeno almacenado también se puede convertir nuevamente en electricidad a través de celdas de combustible cuando sea necesario (power-to-power) en aplicaciones estacionarias domésticas, comerciales e industriales.

Retos pendientes del hidrógeno verde

Aunque existen diversos factores que favorecen el auge de las inversiones para desarrollar la tecnología del hidrógeno verde, aún permanecen retos significativos que deben resolverse para dar inicio al círculo virtuoso del hidrógeno, uno similar al que benefició a las tecnologías de energías limpias. Entre tales retos se encuentran los siguientes:

Incertidumbre política y tecnológica. La mayoría de las aplicaciones del hidrógeno verde no son competitivas en costo sin el apoyo inicial directo del gobierno, además, existe incertidumbre tecnológica en cuanto al transporte del hidrógeno y la entrega al usuario final. La incertidumbre surge no de la inexistencia de tecnologías, sino de la elección de la más adecuada para cada caso específico de proyecto.

Complejidad de la cadena de valor e infraestructura necesaria. Es necesario sincronizar, en escala y en tiempo, las inversiones y las políticas requeridas por cada eslabón y cadena de valor del hidrógeno verde, además, requiere tiempo construir la confianza para coordinar esas inversiones. Por otro lado, debido a que la producción de hidrógeno es local, su almacenamiento y distribución se benefician de la economía de escala, y para utilizar el hidrógeno para el transporte terrestre, una pre-condición para su adopción es una red de estaciones de abastecimiento, siendo limitada la capacidad de muchos gobiernos para emprender las inversiones necesarias para dicha infraestructura, sin embargo, no se descartan inversiones del sector privado cuando éste ha identificado un mercado meta.

Regulaciones, normas y aceptación. Es necesario actualizar las regulaciones que tratan con diversas cuestiones técnicas del hidrógeno verde como: dónde y cómo puede utilizarse el hidrógeno en sus diferentes formas (presurizado, licuado, etc.), quién puede manejar el hidrógeno, qué volumen de hidrógeno puede estar presente en las tuberías de gas natural. También es necesario desarrollar normas que traten con el llenado de combustible de autos a hidrógeno, las medidas de seguridad, permisos, materiales y la medición de su impacto ambiental. La reacción de los ciudadanos a los riesgos del hidrógeno verde se está construyendo a través de proyectos demostrativos globalmente, lo cual requiere aumentar para una mayor familiaridad y tranquilidad, los costos de su infraestructura inicial deben mejorar, su red de abastecimiento y distribución habrá de crecer, pero sobre todo su importancia para la sustentabilidad a largo plazo deberá divulgarse para poder entenderse.

Futuro del hidrógeno verde

Se espera que, a partir de 2030, en diferentes países, principalmente en los desarrollados, como los europeos, la producción de hidrógeno renovable se incremente y que los avances tecnológicos, y particularmente las economías y el cambio en las políticas hagan posible una alta producción y una gran expansión de consumo de hidrógeno verde en diferentes sectores, principalmente en los tienen una cantidad considerable de emisiones de CO₂, añadiendo usos al hidrógeno verde en sectores como la aviación o el transporte marítimo. Además, se prevé que el papel del hidrógeno verde sea clave para gestionar la producción eléctrica, que es uno de los sectores que más emisiones contaminantes producen especialmente en México, y que cuando la demanda aumente considerablemente, se tenga suficiente capacidad para la utilización de hidrógeno verde y la satisfacción de dicha demanda.

Conclusiones

El hidrógeno verde o renovable es un combustible de gran importancia en la lucha contra el cambio climático, ya que no se emiten gases contaminantes, ni en su producción, ni en su uso. También mejora la integración de las energías renovables, cuya disponibilidad es variable (e.g. la solar y la eólica), en el sector eléctrico, ya que el hidrógeno verde producido con estas energías se podría almacenar para su posterior uso. Sobre todo, el hidrógeno verde asiste de forma significativa a la mitigación de emisiones de gases contaminantes de las grandes industrias, disminuyendo su contribución al calentamiento global. Sin embargo, para superar las barreras existentes y hacer la transición al hidrógeno verde como portador de energía, se requiere de estrategias para cada una de las etapas de preparación tecnológica, su penetración de mercados y crecimiento de estos.

Autores:
Samuel Salinas Sánchez, ssalinas@ineel.mx
Armando Moreno Almaraz, RevistaTransicionE@ineel.mx
Elsa Edith Orduña Mercado, eeom@ineel.mx
Revisión:
Ulises Cano Castillo, ucano@ineel.mx