El futuro del hidrógeno como vector de energía

Eugenio G. Araya

Físico

He regresado recientemente de una gira de investigación en la República Popular China, el gigante asiático que está a la cabeza en la investigación y desarrollo de tecnologías de nuevas energías, producción, transporte y formas no convencionales de almacenamiento. La gira incluyó visitas a las áreas del clúster de energía del Noreste que incluye la provincia de Shandong, el clúster del Este que incluye la provincia de Shanghái, el clúster del Sur que incluye la provincia de Guangdong, el clúster de Beijín-Tianjin-Hebei, así como conferencias e intercambios de opiniones con investigadores, académicos y empresarios del más alto nivel del país.

China es por mucho el mayor productor de energía del mundo a través de diferentes fuentes y sus fincas solares son mayores que las de todo el resto del mundo sumado; igual sucede con sus turbinas eólicas. Entre sus centrales nucleares está la central Shidaowan, cerca de la ciudad de Weihai, en la provincia de Shandong en el noreste del país y donde recibí una buena parte de las conferencias de mi gira, una central de cuarta generación considerada la más segura del mundo, que está proyectada para alcanzar 10 generadores de 200 MW cada uno, más dos en diseño de 1.500 MW cada uno, para un total de 5.000 MW cuando esté en plena operación, combinando producción de electricidad y agua caliente para calefacción de hogares y procesos industriales.

China es el mayor productor de hidrógeno del mundo obtenido de diversas fuentes, pero más del 60% proviene del carbón, un producto abundante en el subsuelo de la nación. Otras fuentes son el gas natural, el etanol, la biomasa de desechos, subproductos de procesos industriales y la electrólisis de agua, siendo este último el más costoso por la inversión y operación de los equipos necesarios para su producción y la electricidad y por lo tanto el menos producido.

El hidrógeno es altamente inflamable y explosivo, muchas veces más que la gasolina porque tiene mayor densidad de energía por unidad de peso, por lo que los procesos de producción, transporte y almacenamiento infieren protocolos y medidas de seguridad sumamente rigurosos.

El hidrógeno producido a partir de combustibles fósiles como el carbón, que implica emisión de gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono, es una tecnología madura que se ha utilizado ya por décadas. A este tipo de hidrógeno se le denomina Hidrógeno Gris. El Hidrógeno Azul se obtiene del proceso de reformado con vapor a alta temperatura en procesos industriales con gas natural, y es un poco más limpio que el anterior. El Hidrógeno Verde se denomina así cuando la electricidad que se utiliza en su producción proviene de fuentes nucleares y las renovables como la solar, eólica, hidráulica y otras.

Las ventajas del hidrógeno como vector de energía es que puede almacenar energía para ser utilizada en otro momento y/o lugar. Cuando entrega su energía en celdas de energía de los vehículos, los residuos son simplemente agua y calor. Tiene una alta densidad energética, lo que significa que, por cada kilo o por cada litro, almacena mucha más energía que otros combustibles como la gasolina, el diésel o el bunker. Un kilo de hidrógeno almacena 33 kW de energía mientras que un kilo de diésel almacena cerca de 10 kW.

Una vez producido a través de cualquiera de sus fuentes, el hidrógeno se debe almacenar en el sitio de producción, transportarlo a su destino final y dispensarlo para su uso final. El manejo en toda la cadena se puede hacer en forma de gas o como líquido, considerando que cada una tiene ventajas y desventajas propias, así como costos asociados a cada uno de esos estados.

La forma más sencilla y más económica en la cadena de suministro del hidrógeno es en forma gaseosa. Para esto se almacena el gas en grandes contenedores en la planta de producción, se transfiere a camiones en tubos largos, parecidos a los camiones cisternas que conocemos, y se deposita en el destino también en grandes tanques. Esta modalidad es de poca presión y solo necesita bombas de transferencia por lo que el costo asociado es bajo. Tiene la desventaja de que como gas, el volumen es muy grande y la densidad de energía que se transporta es baja. Esta modalidad se utiliza en distancias menores a 200 km.

Para distancias mayores a 200 km resulta más eficiente transportar el hidrógeno en forma líquida. Para esto es necesario comprimir el gas hasta que se licúe y mantenerlo frío a temperaturas criogénicas. El costo de los compresores y los enfriadores, así como los tanques de almacenamiento y transporte, que deben ser reforzados con fibra de carbono para soportar las grandes presiones del hidrógeno líquido, además de ser térmicamente aislados, implican un costo inmenso a esta modalidad. Los protocolos de manejo en las transferencias de tanques de almacenamiento a camiones y viceversa, y la disposición final son mucho más estrictos y consecuentemente más costosos. Las hidrolineras de esta modalidad son mucho más caras también por las mismas razones. Tiene a su favor que la cantidad de hidrógeno que se puede transportar, y por lo tanto la densidad de energía, son mucho mayores que en la versión gaseosa de baja presión.

La investigación y desarrollo (I+D) de la tecnología de hidrógeno centra su interés en la electrificación de la movilidad de personas y carga en todas sus modalidades. La fabricación de vehículos eléctricos, principalmente automóviles, implica desarrollar toda la infraestructura para alimentar esos autos con hidrógeno y una forma de acumulador de energía dentro de ellos. De acuerdo con el Dr. Ing. Cui Shengmin, académico e investigador del Instituto Tecnológico de Harbin, de quien recibí varias conferencias y pude intercambiar criterios, el hidrógeno tiene todavía un alto costo de producción, especialmente en el caso de producción por electrólisis, lo que limita la adopción generalizada de este como vector energético. Además, el transporte y almacenamiento del hidrógeno requieren equipos e instalaciones especiales y complejas que aumentan aún más sus costos y por sus características inflamables y explosivas, requiere medidas de alta seguridad durante su manejo.

Confirmé con el Dr. Shengmin que para automóviles, buses urbanos y camiones de reparto livianos eléctricos, la mejor tecnología para sus acumuladores es la batería de iones de litio. Para autobuses interurbanos y camiones pesados con recorridos de más de 200 km por día, el hidrógeno en forma gaseosa para evitar las grandes presiones del estado líquido es la solución adecuada, dado que para esta gama, el peso de los bancos de baterías sería enorme, lo que limitaría espacio y capacidad de carga útil.

Las investigaciones de la Dra. Ing. Wu Xiaohua, profesora e investigadora de la Universidad de Xihua, demuestran que la eficiencia de los vehículos de hidrógeno está en el rango de 40 – 50 %, mientras que la eficiencia de los vehículos eléctricos está cerca del 80 %. Estos dos factores más consideraciones adicionales hizo que la gigante alemana Volkswagen tomara la decisión de detener toda la investigación de hidrógeno para sus automóviles desde el 2021. A pesar de esto algunas otras marcas continúan con esfuerzos para fabricar autos con la tecnología del hidrógeno. Como en todas las cosas, el mercado se encargará de decidir cuál tecnología prevalecerá para los vehículos livianos.

En el caso de los camiones pesados y buses de larga distancia el panorama tiene también sus bemoles. Según los estudios presentados por el Ing. Sun Ping, profesor e investigador de la Universidad de Jilin, el costo de operación continúa siendo muy alto, y no será hasta que el precio del hidrógeno llegue a 17.7 Yuan/kg ($2.48/kg) que estos equipos pesados puedan competir con sus pares con motores de combustión. Todavía estamos lejos de ese precio porque en China hoy el costo es de 40 Yuan/kg ($5.62/kg) para el hidrógeno gris, y bajar ese costo a poco menos de la mitad infiere esfuerzos enormes. El escenario con hidrógeno verde es aún más complicado ya que el precio de este en China está hoy en 94 Yuan/kg ($13.22/kg), es decir, más del doble del precio del hidrógeno gris. En el caso de Costa Rica, alcanzar el precio de $2.48/kg para hidrógeno verde es materialmente imposible con los costos de electricidad actuales.

En palabras textuales de la Dra. Xiaohua, la tecnología del hidrógeno en China está todavía en su etapa infantil. Sin embargo, debemos continuar por esa ruta por dos razones importantes: la primera es la descarbonización del sistema de transporte de personas y mercancías para mantener limpio nuestro planeta, una obligación de todos los países del mundo. Segundo, estamos claros de que el petróleo está en su ocaso; se calcula que las reservas de China se agotarán para el 2050 y las del resto del mundo para el final del siglo XXI, por lo que es imperativo encontrar un sustituto de los fósiles.

El uso del hidrógeno como vector de energía ya tiene varios lustros, sin embargo, aguas arriba en la cadena se deberá buscar eficientizar la producción, almacenamiento, distribución y suministro de este. Las cadenas perpendiculares de proveedores como los fabricantes de electrolizadores y la industria de la fibra de carbono para los tanques, para mencionar dos ejemplos, deberán abaratar sus costos para lograr bajar el costo final.

Es imprescindible que se invierta en una oferta robusta de suministro al usuario final. Hoy solo existen cerca de 900 hidrolineras en todo el mundo y de estas 440 están en China. Claramente una cantidad insuficiente para pretender extender el uso del hidrógeno en la movilidad de personas y mercancías. Es necesario que los gobiernos nacionales y municipales dispongan de subsidios importantes para animar la transición, tanto en la construcción de la infraestructura requerida, como en los vehículos como tales. En China existen subsidios nacionales, por provincia y por municipio, que van desde subsidio a la compra del vehículo y al precio del hidrógeno dispensado, hasta beneficios en los peajes, parqueos y días de operación sin restricción. En algunos casos el precio del hidrógeno se subsidia hasta el 50% y los subsidios en compra de camiones puede llegar a varias decenas de miles de yuanes.

Aguas abajo, se deberán invertir cantidades importantes de recursos en I+D para logar mayores eficiencias en las celdas de combustible de los vehículos con los diseños y materiales actuales como base de trabajo, pero también explorar con ingeniería de materiales y física de estado sólido, diseños innovadores y mejorados de celdas de combustible que logren eficiencias finales muy por encima de las actuales. En esto la colaboración horizontal entre gobiernos y la colaboración vertical entre científicos, empresa privada, universidades e inversionistas será la columna vertebral para lograr avances significativos.

La conclusión más importante del Ing. Ping y sus colegas de la Universidad de Jilin, que es coincidente con las opiniones de los estudios de costos en el resto del mundo, es que el uso de hidrógeno verde en camiones y autobuses es imposible sin subsidios al precio actual del hidrógeno verde y posiblemente también en la compra de los automotores que usan esta tecnología. Con subsidios importantes, la paridad en costos de los vehículos pesados de hidrógeno gris comparada con los vehículos pesados de combustión solo se alcanzará a mediados de la próxima década en China. Otros países como Alemania, Francia, Estados Unidos y Canadá alcanzarán esa paridad de costos más tarde aún por tener costos más altos en las cadenas de producción. No pude obtener una respuesta clara sobre el horizonte de la paridad de costos utilizando hidrógeno verde en camiones y autobuses por parte de ninguno de los investigadores.

Queda claro que cada país tiene sus propias razones para llevar a cabo su transición energética a pesar del costo económico, si lo puede y lo quiere afrontar, pero también concluyo que cada país debe tener su propia transición energética ajustada a sus condiciones de entorno, sus recursos naturales y su economía. Si bien China piensa en la transición energética por razones ambientales, en el fondo su preocupación real parece ser más la independencia energética, pero China tiene recursos suficientes para llevarla a cabo por razones medio ambientales, geopolíticas o cualquiera otra. En Costa Rica deberemos de tener cuidado de no intentar dar pasos que pueden pasar una factura inmensamente pesada a nuestra economía y a nuestros ciudadanos; nuestras finanzas no podrían soportar un subsidio a esta tecnología. Nuestra transición energética debe ser ajustada a nuestras posibilidades; tropicalizar transiciones de otros países sin ajustarla a nuestras condiciones puede ser una camisa que nos quede demasiado grande.

Nuestro planeta rompe récord todos los días en consumo de energía. Un ser humano de hoy consume cientos de veces más energía que una persona de hace apenas 200 años, y si sumamos a ese factor el hecho de que estamos llegando a los 8.000 millones de personas, vemos que la demanda de energía es cada vez mayor de manera exponencial. Deberemos encontrar la forma de producir esa energía de manera limpia, económica, estable y accesible para todos.

Luego de estas semanas en China, estoy convencido de que estamos en presencia de un traslado del liderazgo tecnológico de occidente hacia el este, y posiblemente también de la hegemonía económica dado que China ocupa hoy el segundo lugar en el rango de las economías del mundo, pero creo firmemente que en 5 o 10 años llegará a ser el país con el mayor PIB del planeta. China es una economía de mercado de corte capitalista, con su propia bolsa de valores con transacciones bursátiles inmensas, con millones de empresas privadas de todo tamaño, activas, innovadoras y pujantes y con una población que supera los 1.400 millones de personas, razones suficientes para alcanzar el liderazgo tecnológico y económico en corto plazo.

Como físico estoy convencido que para el final del siglo XXI o inicios del siglo XXII, la fusión nuclear será que la que provea la mayoría, sino toda, la energía que requerirá el planeta para continuar evolucionando, a través de fusionadores nucleares en todas las zonas de la Tierra. De aquí a allá, las nuevas energías de transición deberán ir supliendo las necesidades mientras los fósiles continúan su curva descendiente hasta llegar a su fin. En este proceso el hidrógeno como vector de energía jugará un rol trascendental.