El gas natural acelera la ruta hacia el hidrógeno y la transición energética

El gas natural acelerara la transición energética, incluyendo la transición futura hacia el hidrógeno, por las siguientes razones:

• Proporciona un combustible puente de bajo costo que sustituye combustibles actuales de mayores emisiones.

• Permite la producción de hidrógeno para desarrollar el mercado local y el de exportación.

• Permite apalancarse, con las adecuaciones correspondientes, sobre la infraestructura existente y futura de los gasoductos de transporte y distribución de gas natural (incluyendo los derechos de vía o de paso de esta infraestructura) para transportar y distribuir hidrógeno para usos energéticos y no energéticos.

Lo anterior reduce significativamente los costos y fomenta una transición energética gradual hacia una futura economía con un alto contenido de hidrógeno, utilizando el gas natural y su infraestructura como un importante trampolín para reducir los costos y los tiempos de penetración del mercado.

1. Introducción

El hidrógeno es el elemento más abundante del universo, pero en la Tierra no existe libremente en grandes cantidades.

En este planeta, el hidrógeno se encuentra químicamente ligado a muchos otros elementos, por lo que su producción depende, entre otras cosas, de procesos industriales que extraen el hidrógeno de varios recursos naturales, tales como en el agua y en el gas natural.

El agua (cuya formula química es H₂O) se compone de dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, mientras que el gas natural, que se compone principalmente de metano (cuya formula química es CH₄), contiene cuatro átomos de hidrógeno y uno de carbono.

Los principales usos actuales del hidrógeno son actualmente no energéticos (materia prima para procesos industriales) y sus usos energéticos son muy pequeños. Su participación en la participación en la matriz energética mundial actual es insignificante en este momento por razones de alto costo.

El problema actual de su uso como energético es que existen varios factores que limitan su adopción generalizada como combustible y no es competitivo con las opciones disponibles en este momento.

Entre los factores que limitan su uso como energético destacan el alto costo y el alto consumo energético de su producción, y varios desafíos (incluyendo también altos costos) relacionados con el almacenamiento, el transporte, la distribución y el consumo.

Sin embargo, hacia el futuro, con los continuos adelantos tecnológicos, se espera que los costos se reduzcan y que el hidrógeno se convierta en una importante fuente de energía limpia.

Los continuos adelantos tecnológicos van a ser cruciales para impulsar la adopción generalizada del hidrógeno como energético, especialmente en áreas como la producción, el almacenamiento, el transporte, la distribución y los equipos de consumo (como vehículos de hidrógeno).

Las innovaciones en electrólisis del agua, la tecnología de pilas de combustible (“fuel cells”) para uso en el sector transporte y el desarrollo de infraestructura son factores clave para convertir el hidrógeno en una alternativa más viable y rentable en el sector energético.

• Usos actuales del hidrógeno

Los usos principales usos actuales no energéticos del hidrógeno son los siguientes:

• 55%: producción de amoniaco, el cual se utiliza para producir principalmente fertilizantes, pero también para la fabricación de plásticos, fibras sintéticas, tintes, explosivos y productos farmacéuticos. El amoníaco también sirve como refrigerante, agente de limpieza y precursor de otras sustancias químicas.

• 25%: refinación de petróleo.

• 10%: producción de metanol, el cual tiene una amplia gama de usos, principalmente como disolventes, combustibles y materia prima para diversos procesos químicos y se utiliza en la producción de numerosos productos cotidianos, como plásticos, pinturas, adhesivos y productos farmacéuticos).

• 10%: otros

Estos datos muestran que el 80% de la producción mundial de hidrógeno se utiliza actualmente para sintetizar amoníaco y sus derivados (para la agricultura y otros usos) o para realizar operaciones de refinación de petróleo.

• El hidrógeno se puede extraer de muchas fuentes

El hidrógeno puede extraerse de fuentes no renovables de energía (como el petróleo, el gas natural y el carbón) y del agua con la electricidad producida con fuentes renovables de energía (como la generada con la energía solar y eólica) y no renovables (como la generada con la energía nuclear) mediante el proceso de electrólisis.

El hidrógeno, producido con cualquier proceso industrial y con cualquier fuente o materia prima, es un gas (H₂) que tiene las mismas características físicas y químicas no importan el origen de su producción, pero no es igual desde el punto de vista de costos y de la huella de carbono que se genera para producirlo.

Al igual que el gas natural, el hidrógeno es inodoro, incoloro, no tiene sabor y no es tóxico, lo que lo hace indetectable para los sentidos humanos.

Para identificar su origen y el nivel de emisiones que se generan durante su producción en procesos industriales, al hidrógeno se le asignan códigos de color. Estos colores identifican el hidrógeno cuyos procesos de producción van desde los menos limpios hasta los más limpios.

El establecimiento de un esquema uniforme internacionalmente reconocido y verificable que provea una "Garantía de Origen" a nivel internacional es clave para el desarrollo de la nueva ruta del hidrógeno.

Las nuevas tecnologías, como blockchain, permitirán rastrear las pistas de auditoría y preservar la integridad de la cadena de suministro.

Los principales códigos internacionales, dentro del marco de una paleta de color de garantía del origen y de la huella de carbono del hidrógeno producido, son los siguientes:

• Hidrógeno negro: producido utilizando el carbón mineral (carbón negro) como materia prima.

• Hidrógeno café o marrón: producido con lignito (carbón café).

• Hidrógeno gris: producido con petróleo.

• Hidrógeno gris: producido con gas natural.

• Hidrogeno azul: producido con gas natural y con el proceso adicional de CAC (Captura y Almacenamiento de Carbono). El CAC elimina casi todas las emisiones del proceso de producción del hidrógeno gris.

• Hidrógeno turquesa: producido a través del proceso de pirólisis del metano (gas natural), el cual lo convierte en gas de hidrógeno y carbono sólido. Este proceso es menos eficiente que el reformado del gas natural con vapor que produce hidrógeno azul y hoy en día solo se lleva a cabo a pequeña escala.

• Hidrógeno rosado: producido con electricidad generada con energía nuclear a través de la electrólisis del agua.

• Hidrógeno rojo: producido con energía nuclear a través de la división catalítica del agua a alta temperatura utilizando energía nuclear térmica como fuente de energía.

• Hidrógeno verde: producido con fuentes renovables de energía a través de la electrólisis del agua.

• Hidrógeno amarillo: producido con energía solar a través de la electrólisis del agua.

• Hidrógeno anaranjado: producido con energía eólica a través de la electrólisis del agua. 

A nivel mundial, el 76% del hidrógeno que se produce es a partir de gas natural mediante proceso SMR (Steam-Methane Reforming), el 22% se produce mediante la gasificación de carbón y el 2% mediante la electrólisis del agua.

Lo anterior porque el gas natural es la fuente de menor costo para producir hidrógeno.

Por esta razón es que en los EE. UU. más del 95% de la producción de hidrógeno proviene del gas natural por su bajo costo de producción y por la gran disponibilidad de gas natural, también de bajo costo, que tiene este país.

El gas natural sigue siendo actualmente por mucho la fuente más barata para producir hidrógeno en el mundo.

• El gas natural como un impulsor estratégico del hidrógeno

Muchos países, dentro de los que no está Costa Rica, tienen claro que el gas natural, además de sus múltiples usos actuales como fuente de energía de bajo costo y de menores emisiones al ambiente que otras opciones (como los derivados de petróleo), también proporciona un importante impulso hacia adelante que acelera la transición hacia el hidrógeno como energético.

Como lo señalé anteriormente, este impulso a la ruta del hidrógeno se da debido a varios factores, incluyendo el uso de la infraestructura de transporte y distribución de gas natural actual y futura y de los derechos de paso esta infraestructura (que son cada vez más difíciles y complejos de lograr).

El uso de esta infraestructura acelera la transición hacia una economía del hidrógeno con la readecuación de los gasoductos y las instalaciones existentes de gas natural que un país tiene para producir, transportar, distribuir, consumir y exportar gas natural.

Este impulso va a ir siendo fortalecido progresivamente conforme los adelantos tecnológicos vayan avanzando, principalmente en la reducción de los costos de la cadena de valor del hidrógeno.

El uso de la infraestructura de transporte y distribución de gas natural existente y futura hace que el desarrollo y uso del hidrógeno tenga menos costos, que sea más rentable y escalable más rápidamente y que los plazos de penetración del mercado energético se reduzcan significativamente.

• La ruta del hidrógeno tiene también su propia transición interna y existe una competencia creciente entre los diferentes orígenes y fuentes de hidrógeno

Aquellos países que ya han adoptado la estrategia dual de desarrollar una infraestructura de transporte, distribución y comercialización de gas natural e hidrógeno, desarrollada principalmente con los recursos que genera el negocio del gas natural, parten con una gran ventaja competitiva en la evolución hacia una economía futura con una fuerte participación de hidrógeno.

Estos países utilizan una estrategia de transición energética muy competitiva que, en este campo, va evolucionando del hidrógeno “gris” hacia “azul” producidos con gas natural y el hidrógeno “verde” producido con el proceso industrial de electrólisis del agua con electricidad generada con fuentes renovables de energía.

Esta estrategia les permite a los países que la adoptan aprovechar plenamente sus recursos naturales (en este caso el gas natural y las fuentes renovables de energía) para ir migrando progresivamente en la ruta del hidrógeno conforme los adelantos tecnológicos vayan reduciendo los costos del hidrógeno “verde” y lo vayan potenciando.

El hidrógeno “gris” y luego el “azul” serven de base y trampolín para empezar a ampliar la cadena de valor del hidrógeno hasta que los adelantos tecnológicos permitan el desarrollo competitivo a gran escala del hidrógeno “verde”.

Igualmente, los expertos internacionales estiman que, en una economía futura de bajas emisiones de aquí a varias décadas, el hidrógeno “azul” y el “verde” van a coexistir.

El hidrógeno “azul” y el “verde” coexistirían en el futuro panorama energético, donde el hidrógeno “gris” y posteriormente el “azul” actuarían como una de las soluciones de transición energética mientras el hidrógeno “verde” se consolida y se expande paulatinamente de aquí a varias décadas.

Dentro del marco de esta estrategia, el hidrógeno “gris”, y luego el “azul” (producido a partir de gas natural con captura de carbono), aprovecha la infraestructura de gas natural existente y futura para potencialmente reducir los costos y las emisiones, mientras que el hidrógeno “verde”, producido a partir del agua con electricidad generada con fuentes renovables de energía, ofrece una importante solución que va a ir evolucionando y fortaleciéndose conforme los continuos adelantos tecnológicos vayan reduciendo los costos de toda la cadena de valor a través del tiempo.