ARTÍCULO SOBRE EL HIDRÓGENO

Llegó la hora del hidrógeno

1.- Introducción

El hidrógeno es el elemento más abundante en el universo, aunque en la tierra no lo es tanto, apenas el 0,000055% (5.5 ppmv) del aire atmosférico es hidrógeno. La mayor parte del que hay en nuestro planeta forma parte integrado junto a otras moléculas, del agua y de otros hidrocarburos.

El hidrógeno se utiliza en la industria desde hace bastantes años. En la actualidad, se producen alrededor de 70 millones de toneladas cada año, una cifra que se ha triplicado desde 1975 y que en nuestros días está creciendo a toda velocidad. Su principal uso hasta ahora ha sido en la industria metalúrgica, en refinerías o en la industria electrónica, además de emplearse en la fabricación de fertilizantes y de amoniaco, entre otras cosas.

Su uso ha evolucionado en las dos últimas décadas; ha pasado de las aplicaciones para la industria del automóvil a plantearse ampliar su uso a sectores de difícil descarbonización, como las industrias con consumo intensivo de energía, el transporte por carretera (principalmente transporte pesado), la aviación, el transporte marítimo o su uso residencial (para calentar viviendas o cocinar), etc.

Dos acontecimientos clave han contribuido al crecimiento de la producción de hidrógeno en los últimos años: primero, el coste de producción de hidrógeno verde (no emite CO2) se ha reducido y, con la introducción de economías de escala y la estandarización, se prevé que continúe bajando en los próximos años; segundo, la presión por la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero para luchar contra el cambio climático ha aumentado.

Por ello, muchos países han empezado a tomar medidas para descarbonizar sus economías, sobre todo el suministro y la demanda de energía. Entra estas medidas, se encuentra la extensión del uso del hidrogeno, que plantea interesantes desafíos, como iremos explicando en este artículo.

2.- ¿Es el hidrógeno una fuente de energía?

El hidrógeno no es una fuente de energía primaria sino un vector energético, esto es, un producto que requiere de una aportación de energía para ser obtenido. Además, cuenta con la particularidad de ser capaz de almacenar energía para, posteriormente, ser liberada de forma gradual cuando sea requerida.

El Hidrógeno lo podemos almacenar y utilizar en otro lugar o momento posterior de forma controlada, y se contempla como una opción óptima a futuro, debido a que es inagotable y puede llegar a proporcionar energía renovable sin emitir dióxido de carbono.

Como hemos indicado, el hidrógeno podría ser la fuente de energía más abundante, pero no se encuentra de forma aislada. Aunque hay otras formas de producir hidrógeno, como el reformado de gas natural o de biometano, aquí nos centraremos en la producción de hidrógeno a partir del agua (H2O) que está formada por dos moléculas de hidrógeno y una de oxígeno. De esta forma, para poder hablar estrictamente de hidrógeno y utilizarlo para generar energía útil, tenemos que separar esas moléculas del oxígeno, es decir, necesitamos “producirlo”, mediante un proceso físico-químico conocido como electrólisis, que a su vez tiene unos consumos de energía y unos rendimientos.

La electrólisis es un proceso que separa los elementos de un compuesto, en nuestro caso agua (H2O), por medio de la electricidad, en el que se realiza la liberación de electrones por los aniones en el ánodo (una oxidación) y la captura de electrones por los cationes en el cátodo (una reducción).

Fig. 1 Office of Energy efficiency & Renewable Energy, s.f.

3.-El arco iris del hidrógeno: ¿Qué son los llamados hidrógenos gris, azul y verde?

Aunque el hidrógeno es un gas incoloro, se oye hablar de muchos colores del hidrógeno. El color asignado es una forma de clasificación en función de la materia prima de partida y las emisiones de CO2 generadas para su obtención. Los colores que más oirás son:

  • Hidrógeno gris: se obtiene a partir de gas natural u otros hidrocarburos ligeros como el metano o gases licuados de petróleo mediante procesos de reformado. Actualmente, el 99% del hidrógeno consumido en España es de este tipo. 
  • Hidrógeno azul: obtenido de forma similar al hidrógeno gris, pero al que se le aplican técnicas de captura, uso y almacenamiento de carbono, lo que permite reducir hasta en un 95% las emisiones de CO2 generadas durante el proceso. 
  • Hidrógeno verde: hidrógeno generado a partir de electricidad renovable, de ahí su apodo verde, utilizando como materia prima el agua, mediante el proceso de electrólisis. La Hoja de Ruta del hidrógeno renovable, publicada en octubre de 2020, también reconoce como hidrógeno verde al obtenido mediante el reformado del biogás o la conversión bioquímica de la biomasa, siempre que se cumplan los requisitos de sostenibilidad establecidos.

Además de los anteriores, existen otros tipos con un impacto medioambiental muy diverso, como el hidrógeno negro, rosa o marrón, cuya materia prima es el carbón, la energía nuclear o la electricidad de la red, no estando incluidos en la clasificación anterior, por ser difícil cuantificar el impacto ambiental de su producción y consumo.

4.- ¿Para qué sirve el hidrógeno?

Los usos del hidrógeno como vector energético de la transición energética se centran en: 

  • Refinerías: en procesos de eliminación de impurezas del petróleo crudo o mejora de los crudos más pesados. 
  • Industria química: en la producción de amoniaco y metanol, incluso fertilizantes, biocombustibles o plásticos. 
  • Industria metalúrgica: como fuente de energía en la elaboración de aleaciones como el acero. También, como agente reductor para la generación de aleaciones, desplazando el uso del carbón.

Los usos del hidrógeno como vector energético de la transición energética se centran en:

  • Almacenamiento energético: se produce hidrógeno mediante electrólisis, a partir de excedentes puntuales de electricidad y se almacena temporalmente para su posterior reconversión a electricidad, mediante una pila de combustible. Este proceso posibilita controlar la producción eléctrica, y es de gran importancia en la gestión de las redes eléctricas.
  • Transporte: los vehículos por pila de combustible presentan mejores prestaciones que los vehículos eléctricos a batería. Esto permitiría la descarbonización del transporte por carretera no alcanzable mediante almacenamiento con baterías eléctricas (vehículos pesados y recorridos de larga distancia). Además, hay grandes avances en otros sectores de transporte como el ferroviario, marítimo o aéreo.

  • Uso residencial: mezclado con gas natural, es posible trasportarlo hasta las viviendas para su uso en cocinas, calefacción o agua caliente sanitaria. A pesar de ser una opción factible, en la actualidad la prioridad es la electrificación directa del consumo de calor y frío en el sector residencial mediante bombas de calor.

5.- ¿Cómo llega el hidrógeno a los puntos de consumo?

La distribución del hidrógeno desde el lugar de producción hasta los puntos de consumo se puede realizar por carretera o mar, mediante camiones y buques o, si se transporta en estado líquido o gaseoso, mediante hidroductos, gaseoductos específicos de hidrógeno. Además, como el hidrógeno es miscible con el gas natural, es posible su inyección en la red gasista en una pequeña proporción, regulando cada país los % de mezcla aceptables.

Aunque lo más conocido es el almacenaje del hidrógeno en estado líquido o gaseoso, existen otras tecnologías más novedosas:

  • Gas comprimido: se emplea para almacenamiento de cantidades más pequeñas debido al gran volumen de los depósitos a una presión entre 350-700bar. 
  • Hidrógeno líquido: se pueden almacenar grandes cantidades, pero requiere un aporte energético elevado para mantener el hidrógeno a una temperatura de -253ºC.
  • Hidruros metálicos: el hidrógeno se almacena sobre un metal.
  • Hidruros químicos: compuestos como el amoniaco, mediante reacciones químicas permiten absorber y liberar hidrógeno.

6.- ¿Qué papel ocupa el hidrógeno en el contexto energético actual?

El hidrógeno verde es un vector de energía limpia que puede desempeñar un papel importante en la transición energética global. Se encuentra posicionado como uno de los principales vectores energéticos a largo plazo, debido a que, su producción y consumo, es neutra climáticamente y no genera emisiones contaminantes. 

Aunque se espera que la electricidad renovable descarbonice gran parte del consumo, no es suficiente para lograr la neutralidad climática en 2050. En cambio, el hidrógeno verde, a diferencia de otros vectores energéticos renovables, tiene la capacidad de ser almacenado lo que permite un mayor grado de gestión. Además, gracias a su gran densidad energética en relación con su peso, es capaz de cubrir las necesidades de una parte del sector transporte.

Por ello, el hidrógeno renovable es considerado una de las soluciones clave sostenible para la descarbonización de la economía, que permitirá lograr la neutralidad climática en 2050 y desarrollar cadenas de valor industriales innovadoras en España y en la UE, así como una economía verde de alto valor añadido.

El plan REPowerEU, publicado el 18 de mayo de 2022 por la Comisión Europea, da un papel protagonista al hidrógeno renovable, principalmente en los sectores industrial y de transporte.

7.- ¿En qué situación está el hidrógeno en el contexto español?

El consumo de hidrógeno en España se centra básicamente en la industria, siendo escaso el desarrollo de las hidrogeneras (punto de suministro) para el abastecimiento en el sector transporte. 

En el año 2022 se consumen en España en torno a 500.000 toneladas de hidrógeno, mayoritariamente hidrógeno gris, utilizado como materia prima principalmente en refinerías (en torno al 70%) y en fabricantes de productos químicos (25%), correspondiendo el consumo residual restante a sectores como el metalúrgico. En muchos casos, la producción se realiza directamente en la propia planta de consumo a través de instalaciones de reformado con vapor de gas natural.

Para favorecer e impulsar el desarrollo de proyectos de producción de hidrógeno verde, se han aprobado a finales de 2021, las primeras líneas de ayudas dentro del Proyecto Estratégico para la Recuperación y Transformación Económica de Energías Renovables, Hidrógeno Renovable y Almacenamiento (PERTE ERHA):

  • Proyectos pioneros y singulares de hidrógeno renovable: 150 millones de euros para proyectos integrales que combinen, la producción, distribución y uso del hidrógeno renovable en una misma ubicación.
  • Cadena innovadora del hidrógeno renovable: en total 250 millones de euros distribuidos en 4 programas:

o Programa 1: Capacidades, Avances Tecnológicos en líneas de ensayo y/o fabricación. 

o Programa 2: Diseño, demostración y validación de movilidad propulsada por hidrógeno.

o Programa 3: Grandes demostradores de electrólisis-proyectos innovadores de producción de hidrógeno renovable.

o Programa 4: Retos de investigación básica-fundamental, pilotos innovadores y la formación en tecnologías habilitadoras clave dentro de la cadena de valor.


8.- ¿Cuál es el futuro del hidrógeno?

El hidrógeno limpio está disfrutando de un impulso político y empresarial sin precedentes, con un gran número de políticas y proyectos en todo el mundo. La aceleración de los esfuerzos es fundamental para garantizar una cuota significativa de hidrógeno en el sistema energético en las próximas décadas.

Se prevé que el hidrógeno verde, producido con electricidad renovable, crezca rápidamente en los próximos años. Muchos proyectos en curso y previstos apuntan en esta dirección. El hidrógeno procedente de energías renovables es hoy técnicamente viable y su producción se acerca rápidamente a la competitividad económica. 

La transición energética basada en el hidrógeno no se producirá de la noche a la mañana. Sin embargo, el hidrógeno representa una solución complementaria que es especialmente relevante para los países con ambiciosos objetivos climáticos.

Los objetivos nacionales fijados en la Hoja de Ruta del Hidrógeno para el año 2030, no solo van dirigidos a la producción del hidrógeno renovable, sino a las áreas de actividad con potencial de crecimiento: la industria y el sector transporte. A partir de entonces, se prevé que la tecnología del hidrógeno alcance un alto grado de madurez que permita su despliegue a gran escala.

Objetivos año 2030:

Fig.2. Ministerio para la Transición Ecológica y el Reto Demográfico, Hoja de Ruta del Hidrogeno. (Madrid, 2020)

Bibliografía

Figuras

Aunque lo más conocido es el almacenaje del hidrógeno en estado líquido o gaseoso, existen otras tecnologías más novedosas:

  • Gas comprimido: se emplea para almacenamiento de cantidades más pequeñas debido al gran volumen de los depósitos a una presión entre 350-700bar. 
  • Hidrógeno líquido: se pueden almacenar grandes cantidades, pero requiere un aporte energético elevado para mantener el hidrógeno a una temperatura de -253ºC.
  • Hidruros metálicos: el hidrógeno se almacena sobre un metal.
  • Hidruros químicos: compuestos como el amoniaco, mediante reacciones químicas permiten absorber y liberar hidrógeno.

Last modified: Wednesday, 21 September 2022, 9:18 AM