¿Será el hidrógeno el combustible limpio del futuro?

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Autor. Ing, Ph.D. Yolanda Reyes, 24 de octubre 2022.

Introducción

El hidrógeno es la propuesta energética más incipiente de los combustibles alternativos, respecto a los fósiles y emisores de gases contaminantes de efecto invernadero. Sin embargo, a pesar de su enorme potencial energético, es un combustible difícil de obtener, pues no se encuentra de forma aislada en la naturaleza. ¿Es viable un modelo energético basado en este elemento?

Actualmente con el fin de reducir el calentamiento global y combatir el cambio climático, se están desarrollando nuevos sistemas y fuentes de energía alternativas renovables que no generen emisiones contaminantes. El hidrógeno representa una de las posibles soluciones; el cual, es un gas incoloro e inodoro no contaminante; sin embargo, es un elemento que no se puede extraer de la naturaleza, es un combustible que se obtiene a partir de otros compuestos químicos. Se almacena en estado gaseoso o líquido (Figura 1) y se distribuye a través de gasoductos, puede convertirse en un sustituto del gas natural, y no emite gases de efecto invernadero en su combustión. Entonces, ¿cómo es posible que no se haya convertido en la alternativa viable hacia un modelo energético sostenible?

Figura 1. Cilindro de hidrógeno.

Antes de responder  a esta pregunta es importante explicar y analizar los diferentes procesos para la obtención de este elemento; así como, sus ventajas y desventajas como fuente energética.

Procesos de obtención del hidrógeno

El hidrógeno representa una fuente energética y está considerado a convertirse en el combustible del futuro. Es el elemento químico más abundante en la naturaleza al constituir aproximadamente el 75 % de la materia del universo. Se encuentra en casi toda la materia y sobre todo en el agua (H2O); sin embargo, no se encuentra en estado puro ya que es tan ligero que se concentra en las capas más altas de la atmósfera y se fuga al espacio debido a su baja densidad.

El hidrógeno es una fuente de energía limpia, que se extrae a partir de los compuestos de los que forma parte: el agua, el gas, el alcohol, los hidrocarburos, el biogas, el bioalcohol y la biomasa, entre otros. Separar el hidrógeno de estos elementos es un proceso complejo. Existen tres métodos industriales para obtener hidrógeno: la transformación molecular, la gasificación del carbón y la electrólisis del agua. Para producirlo se pueden emplear diferentes fuentes de energía (Figura 2).

Figura 2. Procesos de producción de hidrógeno.

Termólisis: Es el proceso de descomposición del agua por procesos estrictamente térmicos. Las altas temperaturas necesarias para la termólisis directa es muy complejo, se suelen emplear “ciclos termoquímicos”, en los que una sustancia es regenerada en uno o varios ciclos; en unos se desprende oxígeno y en otros hidrógeno.

Reformado: El proceso de reformado, a través de gas natural con vapor de agua, es el proceso más utilizado actualmente para producir hidrógeno para fines industriales. La principal desventaja de este método es que produce emisiones de dióxido de carbono y monóxido de carbono. Ambos gases son perjudiciales para nuestra atmósfera y contribuyen al calentamiento global.

Electrólisis: Este método consiste en hacer pasar una alta corriente eléctrica externa a través del agua para separar los átomos de oxígeno e hidrógeno. Este proceso tiene un coste elevado debido a la cantidad de electricidad que se necesita y, para crearla, se queman combustibles fósiles (por ejemplo: gas natural, petróleo o carbón), lo que produce emisiones de carbono. Estas emisiones pueden evitarse si la electricidad utilizada en la electrólisis proviniera de energías renovables como, por ejemplo: paneles solares, energía hidroeléctrica o parques eólicos (Figura3).

Figura 3. Hidrógeno pocesado mediante energías alternas.

Ventajas del hidrógeno como fuente de energía:

Fuente de energía renovable y limpia: Cuando se quema el hidrógeno no se liberan elementos contaminantes a la atmósfera. La reacción que produce el hidrógeno al ponerlo en contacto con el oxígeno no produce emisiones contaminantes de CO2, sino agua, por lo que no contamina. No emite gases de efecto invernadero durante la combustión, es una fuente de energía limpia que solo emite vapor de agua y no deja residuos en el aire.

No es tóxico: Desde el punto de combustión de calderas, no tiene la peligrosidad del monóxido de carbono. No es tóxico ni corrosivo.

Eficiente: Tiene un poder calorífico por cada kg de combustible 3 veces superior a la mayoría de las fuentes de combustible de origen fósil, por lo que se necesita menos masa de hidrógeno para realizar los mismos trabajos.

Desventajas del hidrógeno:

Difícil de almacenar: Uno de los principales inconvenientes del hidrógeno es que es un gas muy ligero, que se almacena, distribuye y consume en estado gaseoso, lo que dificulta su almacenamiento y transporte. Además, es un combustible que ocupa grandes volúmenes, por lo que se necesitan depósitos de gran volumen y tuberías de grandes espesores.

Es un combustible con una energía específica muy alta (33,33kWh/kg); en comparación, con otros gases combustibles como el gas natural (12,39 kWh/kg). En cambio, tiene una densidad mucho más baja que el propio gas natural. Lo que hace que el poder calorífico en volumen del combustible sea inferior. Para obtener la misma energía, el volumen consumido será mayor. Tendremos que transportar y almacenar tres veces más volumen de hidrógeno que de gas natural.

Altos costos de producción: Tanto el proceso de reformado con vapor de agua como la electrólisis son procesos costosos que impiden a muchos países comprometerse con la producción masiva. Por ejemplo, con el método tradicional de electrólisis, para producir 2,99 kWh de energía se tiene que gastar 2.83 kWh de electricidad. Por eso, el hidrógeno producido por la electrólisis tiene los costes muy elevados porque se necesita mucha electricidad.

Proceso de producción: Este elemento energético no es un combustible que se pueda extraer de la naturaleza. Es un tipo de energía que se tiene que procesar, puede producirse a partir de un combustible fósil, pero emite CO2.

Seguridad: El hidrógeno es una sustancia peligrosa, al igual que el gas natural, es inflamable y volátil. En parte, su mala fama como producto inflamable proviene a causa del accidente del dirigible LZ 129 Hindenburg, un Zeppelin que utilizaba hidrógeno en vez de helio como combustible, en el que una chispa causó un incendió en 1937 que conmovió a toda la sociedad de aquella época.

Peligrosidad: El hidrógeno es un gas difícil de detectar, es incoloro e inodoro. Pero no deja de ser menos peligroso que el gas natural, gas propano o butano. El hidrógeno es un gas muy ligero, esto hace que en el aire se disperse muy rápidamente. En volumen, el hidrógeno tendrá una tasa de fuga 3 veces superior a la del gas natural, pero como el poder calorífico en volumen es tres veces inferior, en términos de energía, la tasa de fuga será similar a la del gas natural.

Tecnología sostenible

¿Cómo es posible que no se haya convertido en la alternativa viable hacia un modelo energético sostenible?

El problema hay que buscarlo en el costo y en la dificultad de producción. A pesar de ser uno de los elementos más abundantes de la tierra, el hidrógeno no es fácil de obtener, por no encontrarse de forma aislada en la naturaleza, sino que se genera a partir de otras sustancias que lo contienen, entre ellos el agua, el carbón y el gas natural. La forma ideal de producirlo sería obtenerlo directamente del agua una sustancia presente en el 70% del planeta; para lo cual, es necesario llevar a cabo un proceso denominado electrólisis, que consiste en la descomposición de las moléculas de agua (H2O), en oxígeno (O2) e hidrógeno (H2). Sin embargo, generalmente es este un proceso costoso que requiere mucha energía eléctrica que en la mayoría de los casos no procede de fuentes renovables para alimentar los electrolizadores.

La dificultad para obtener hidrógeno 100% limpio ha llevado a la clasificación del producto resultante en función de su valor sostenible. De este modo, el hidrógeno gris, el más utilizado actualmente; por ejemplo, en la industria química o en las grandes refinerías de petróleo, es el menos respetuoso con el medio ambiente, pues su generación sigue requiriendo de combustibles fósiles. Como alternativa, el ‘hidrógeno azul o bajo en carbono’ sigue requiriendo de combustibles fósiles, pero emite menos carbono, pues este se retira con un método llamado ‘captura y almacenamiento’. La opción más ecológica es el ‘hidrógeno verde’, producido a partir de energías renovables, una alternativa 100% sostenible que, sin embargo, es la menos frecuente del mercado.

El hidrógeno limpio y las energías renovables

Según una investigación realizada por la Universidad Stanford y la Universidad Técnica de Múnich, la producción de hidrógeno podría ser rentable si se utilizase todo el exceso de energía renovable que no se consume, y que, por tanto, no puede almacenarse. La clave, según el estudio, es que el rendimiento de las energías renovables es intermitente, con lo que el suministro de electricidad a partir de estas fuentes también es variable. A veces es insuficiente para satisfacer la demanda, mientras que en ocasiones se produce demasiada y se pierde, o bien se deja de producir, ya que no se puede almacenar en el momento.

Este problema se debe, según Javier Brey, presidente de la Asociación Española del Hidrógeno, al funcionamiento propio del sector eléctrico, que solo produce la electricidad que va a ser consumida, lo que se traduce en un desaprovechamiento de la energía que deja de producirse solo porque en ese momento no hay demanda. Según Brey, esta complicación se hace aún mayor a medida que aumenta el porcentaje de energía renovable, algo que podría acabarse con un sistema de almacenamiento a gran escala basado en el hidrógeno. Así, en aquellos momentos en los que la capacidad de producción eléctrica renovable exceda la demanda, en lugar de parar esas instalaciones, la electricidad se derivaría a parques de electrolizadores, donde se produciría y almacenaría el hidrógeno para luego volverlo a transformar en electricidad mediante el uso de pilas de combustible.

¿Cuánto cuesta producir hidrógeno?

Generación de hidrógeno por electrólisis mediante energía alterna.

Una investigación publicada recientemente en la revista especializada Nature Energy se propuso cuantificar el coste de producción de hidrógeno a partir energía eléctrica (empleando electrólisis) para determinar si se trataba o no de una alternativa viable desde el punto de vista comercial. En este sentido, los investigadores recopilaron datos sobre los costes y precios del hidrógeno y los compararon con los precios de la electricidad en el mercado mayorista y datos de generación de energía eólica durante un año entero en Alemania y Estados Unidos. Su conclusión fue que los sistemas híbridos (de generación de hidrógeno a partir de energía renovable, generalmente eólica o solar), pueden llegar a ser rentables a partir de los 3,23 euros el kilo. El mismo estudio apuntaba, sin embargo, que los costes de los electrolizadores están disminuyendo considerablemente, lo que podría abaratar de forma considerable el gasto asociado a la generación de hidrógeno con energía procedente de fuentes renovables, algo que supondría un “pleno al quince” en materia de sostenibilidad energética.

Según el presidente de la Asociación Española del Hidrógeno, Javier Brey, ya es perfectamente viable. “La electrólisis es el segundo método de producción de hidrógeno a escala industrial de todo el mundo. Además, es un método limpio, cuyo coste resulta proporcional al de la energía eléctrica empleada en su producción”. Para el experto, valores inferiores a los 2,5 céntimos por kWh nos dan precios de unos 2,5 euros por kilogramo, lo que lo convierte en “una solución viable para la “descarbonización” de sectores como el industrial, del transporte o la energía”.

Generación de hidrógeno a partir del gas natural

Existe una vía más económica de generar hidrógeno: manipulando el gas natural. Este proceso es conocido como ‘reformado de metano’, y podría ser una alternativa viable para la transición energética. El problema radica en que este sistema no acaba con la dependencia energética, pues generalmente se basa en combustibles fósil (el gas natural). Para deshacerse de ese carbono remanente, los productores de hidrógeno recurren al método de ‘captura y almacenamiento de carbono’, una técnica que permite ‘inyectar’ bajo tierra este exceso de este contaminante; lo cual, resultando como producto el ‘hidrógeno azul’.

Según Nils Anders Røkke, ingeniero mecánico y líder de SINTEF, una organización independiente que lleva más de 40 años investigando sobre prácticas sostenibles en el sector industrial, “solo el 5% de la producción total de hidrógeno procede de la electrólisis; por lo cual, si queremos avanzar hacia una economía 100% sostenible, será necesario impulsar de forma paralela la generación de hidrógeno a partir del gas natural”, explicaba este especialista que augura que el ‘hidrógeno azul’ se irá incrementando a lo largo del tiempo en el viejo continente.

Entonces ¿será el hidrógeno el combustible limpio del futuro?

Javier Brey confía en que el abaratamiento del precio de las energías renovables acabará convirtiendo al hidrógeno generado por electrólisis en la alternativa energética más sostenible del mercado. Nils Anders Røkke es también rotundo en este sentido: “es imposible alcanzar los objetivos energéticos marcados por la Unión Europea para 2050 sin desarrollar una economía basada en el hidrógeno”.

Actualmente este combustible ya se ha ‘colado’ en la vida cotidiana, aunque de manera muy tímida. Las ‘hidrogeneras’, estaciones de servicio de hidrógeno, son una realidad en Japón, Estados Unidos y Alemania. En España también existen, aunque su distribución es todavía escasa, pues también es el número de vehículos que funcionan con este combustible. Un ejemplo más esperanzador, según informa Justo Lobato, la encontramos en Groninga, El proyecto HEAVENN [H2 Energy Applications (in) Valley Environments (for) Northern Netherlands] en el que participan más de 65 entidades nacionales e internaciones y con una inversión de más de 1.000 millones de euros, pretende basar en el hidrógeno todo el sistema energético del norte de Holanda, un país que está apostando fuerte por este combustible alternativo.

Conclusión

El éxito del hidrógeno generado por electrólisis representaría la alternativa energética más sostenible y la solución basada en un combustible limpio y fácil de usar que podría solucionar tanto las necesidades del consumo doméstico como del transporte y terminaría con la dependencia energética de combustibles fósil (el gas natural). Algo que solo será posible si las instituciones, internacionales, dan una oportunidad a la eterna promesa de los combustibles limpios.

Referencias

  1. Electroquímica moderna, Bockris Reddy.
  2. https://www.nationalgeographic.com.es/ciencia/ventajas-e-inconvenientes-hidrogeno-como-combustible-alternativo
  3. Fundamentos de Electródica, José M Acosta.

Sobre el autor

Ph.D, en Electroquímica y Corrosión, con más de 30 años de experiencia y un amplio y versátil conocimiento en Ciencias de la Corrosión y Tecnología Química a nivel Académico e Industrial. Asesor de planes de programas de mantenimiento en la industria en empresas petroleras, al frente de obras de servicios de limpiezas químicas y mecánicas de equipos tales como: calderas, tanques, intercambiadores de calor entre otros. leer mas

Respuestas

  1. La falta de decisión gubernamental en muchos países, detiene está gran alternativa de apuesta a la obtención de una energía verde, limpia y alternativa, ante la energía proveniente de los combustibles fósiles. Lastimosamente muchos no lo ven así debido a que denpor medio hay negocios e intereses personales. El Hidrógeno es la energía del futuro, pero en países en desarrollo se requiere del apoyo de quienes ya se encuentran muy avançados en estevtema. A nivel de Sudamérica Chile ya comenzó con su desarrollo y obtención.

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