Hidrógeno verde: dónde sí, dónde no

Eugenio G. Araya

Físico

Escuché al Dr. Lucca Ferrari decir en una conferencia que el hidrógeno verde es una solución falsa. El Dr. Ferrari es doctor en Ciencias de la Tierra de la Universidad de Milán, Italia, con un post doctorado de la UNAM de México, donde radica, y es investigador titular en el Centro de Geociencias de esta última universidad. Creo que calificar la tecnología del hidrógeno como una farsa es un poco exagerado, pero concuerdo con él en varios de sus argumentos.

El hidrógeno es un gas incoloro y el elemento más abundante del universo, con el átomo más pequeño de todos; mezclado con oxígeno en proporción de 2 a 1 es agua (H2O), y en combinación con otros átomos está presente en una grandísima cantidad de sustancias y materiales que nos rodean. El hidrógeno no produce energía, sino que es un vector de energía -carrier- que la almacena de tal forma que se puede transportar para ser utilizada en otro lugar o en otro momento, o ambos, pero hay mucha tela que cortar en los procesos de producción, transporte y utilización final que no se divulgan por intereses mercantiles. Veamos.

PÉRDIDAS ENERGÉTICAS EN LA PRODUCCIÓN:

En el proceso de producción de hidrógeno verde se utiliza un electrolizador con electricidad que debe ser producida por fuentes renovables, justamente para que se pueda denominar verde. Al agua que se va a procesar se le aplica una corriente eléctrica que separa los átomos de hidrógeno y oxígeno de esta, y los gases se capturan. Se requieren cerca de 55 kW (kilowatts) para obtener un kilogramo de hidrógeno y si el agua no es muy pura se necesitan cerca de 60 kW.

La tecnología de vanguardia en electrolizadores tiene una eficiencia cercana al 64%, esto significa que por cada 100 kW de energía que se suministra al proceso, solamente se logran almacenar 66 kW en hidrógeno como gas, lo que significa que por cada 100 kW que se le suministran al electrolizador, se pierden 34 kW en el proceso, una pérdida nada despreciable. Los fabricantes de electrolizadores trabajan arduamente en mejorar esa eficiencia y se espera que para 2035 se levante un par de puntos utilizando nuevos materiales y mejorando la tecnología en su construcción.

PÉRDIDAS ENERGÉTICAS EN LOS VEHÍCULOS:

Cuando el hidrógeno verde se pretende utilizar en vehículos eléctricos con pila de combustible, este se debe hacer pasar por la celda de combustible -fuelcell- en donde se lleva a cabo la electrólisis inversa, es decir, el hidrógeno que lleva el vehículo en el tanque se mezcla con oxígeno del aire y esa reacción produce electricidad y calor y agua como residuo. Es así como se hace llegar electricidad a los motores que mueven el carro.

Sin embargo, en este proceso se pierde energía nuevamente. Las celdas de combustible de más avanzada tecnología tienen una pérdida cercana al 34%, la mayoría de ella en el calor residual producto de la reacción exotérmica de la electrólisis inversa y es por esta razón que la producción de calor se debe gestionar en este tipo de vehículos al igual que lo hacen los radiadores en los vehículos de combustión interna.

Al sumar la pérdida de la electrólisis para obtener hidrógeno verde con la pérdida en la electrólisis inversa en el vehículo, obtenemos un rendimiento pobre en el rango de 42 al 45%. Es decir, de 100 kW originales de electricidad en la fuente, solo se aprovechan 42 o 45 kW en el vehículo. Una pérdida enorme de 55 a 58 kW por cada 100 kW suministrados en la fuente significa entonces que más de la mitad de la energía se pierde en los procesos sumados.

COSTO ENERGÉTICO DE LICUEFACCIÓN:

El hidrógeno como gas ocupa un volumen muy grande de cerca de 11 metros cúbicos por cada kilogramo, que no solo significa una densidad de energía muy baja, sino que es poco práctico para algunos usos, por lo que en la mayoría de los casos es necesario comprimirlo y enfriarlo para que se haga líquido; a este proceso se le llama licuefacción. En los automóviles por supuesto se necesita el hidrógeno como líquido para poder tener la energía en un volumen pequeño que quepa dentro del carro. Este proceso infiere 15 kW adicionales por cada kilogramo de hidrógeno que al final son también perdidos en el proceso, pues esa energía no será recuperable.

COSTOS DE TRANSPORTE:

Una vez producido y licuado, el hidrógeno debe transportarse a su destino final para su uso. En el caso del uso para vehículos eléctricos con pila de hidrógeno (EVPH) existen dos formas. La más sencilla es transportar el hidrógeno en camiones cisterna con tanques especiales para abastecer la red de hidrolineras que deberían de construirse. Los camiones cisterna para transporte de hidrógeno son sumamente caros pues son tanques capaces de soportar las grandes presiones y las temperaturas criogénicas del hidrógeno verde en estado líquido. Este transporte sería semejante al que se hace hoy distribuyendo combustibles fósiles, con su consecuente costo monetario y energético e impacto de los camiones en las carreteras. Con esta forma de distribución no se cambia mucho el modelo actual en cuanto a distribución.

La segunda forma es construir una red de tuberías por todo un territorio para alimentar las hidrolineras. En algunos países con inviernos fríos se piensa en utilizar la red de tuberías existente para gas con algunas modificaciones.

En el caso de que el hidrógeno verde se pretenda exportar, de igual manera se debe mover en forma líquida para llevarlo en barco hasta los mercados que tienen demanda. Esta opción debe ser valorada por los posibles productores por las leyes del mercado, oferta, demanda y precio, considerando la distancia a los mercados consumidores de hidrógeno porque el costo de flete marítimo tiene un impacto en el precio final del hidrógeno puesto en el país que lo compre.

VEHÍCULOS DE BATERÍA VS VEHÍCULOS DE HIDRÓGENO

Los vehículos eléctricos de batería (VEB) y los vehículos eléctricos con pila de hidrógeno (VEPH) son iguales en su funcionamiento, son motores eléctricos los que los mueven. La diferencia estriba en que en los VEB la energía se almacena en una batería y en los VEPH se almacena en un tanque de hidrógeno.

Hay dos diferencias importantes en rendimiento y precio. Los vehículos eléctricos con batería son bastante más baratos y alcanzan rendimientos en el uso de energía cercanos al 85%. Por su parte los que utilizan tanque de hidrógeno son bastante más caros y su rendimiento es apenas del 45% debido a las pérdidas mencionadas.

ALMACENAMIENTO INTERANUAL

Uno de los posibles usos del hidrógeno verde es producirlo en países con condiciones climáticas que lo permitan durante todo el año y que por su posición geográfica tienen radicación solar durante los 12 meses del año para producir electricidad con fincas solares o torres eólicas, o bien durante las estaciones que lo permitan en los países con cuatro estaciones, almacenar la energía en hidrógeno verde en estado líquido, para ser usado como proveedor de energía en las estaciones en las que es necesaria más energía pero no se puede producir suficiente.

Esto se conoce como almacenamiento interanual de energía, pero los costos asociados al transporte, almacenamiento y distribución del hidrógeno líquido ponen en duda su efectividad por una relación costo-beneficio poco ventajosa. Hoy en día, el almacenamiento en grandes cantidades de la electricidad interestacional o interanual es ineficaz y sumamente caro.

Se ha pretendido también almacenar energía de las fincas solares y parques eólicos debido a la intermitencia en su producción, pues estos sistemas solo producen electricidad cuando hay sol -los fotovoltaicos- o cuando hay viento -los eólicos- y esto no sucede necesariamente cuando hay requerimientos de energía en el sistema, pero los costos de almacenamiento en hidrógeno líquido han desestimulado estas ideas.

Concluyo entonces que el uso de hidrógeno verde como carrier de energía deberá de utilizarse para aquellas circunstancias en que, por condiciones geográficas, por inopia de otros tipos de energía o por imposibilidad material de abastecer con otro tipo de sistema energético. Debe considerarse como un último recurso luego de otras formas de energía más económicas o por imposibilidad. Este es el caso de zonas donde no existe una red eléctrica y resulta imposible llevar energía por cables o para uso en barcos y aviones en sustitución de combustibles fósiles.

En Costa Rica, el almacenamiento interanual o interestacional debería descartarse debido a su alto costo, y siempre resultará más barato y más eficiente producir y almacenar energía de otras formas más económicas. El uso de hidrogeno verde para la flota vehicular tampoco resulta eficiente siendo que Costa Rica es un país con una de las coberturas de red eléctrica más grandes del mundo (98%), por lo que resulta más eficiente y mucho más económico la utilización de vehículos eléctricos de batería que se pueden recargar en todo el territorio nacional abasteciéndose de la red eléctrica existente sin necesidad de crear una costosa red de tuberías e hidrolineras o una ineficiente distribución con camiones cisterna.

Creo que es fácil entender que resulta más eficiente enviar la energía por los cables eléctricos a todo el país, que producir energía, hacer electrólisis con una enorme pérdida, distribuirla con camiones o red de tuberías con alta inversión de capital y costos en ambas modalidades, para convertirla en energía, otra vez con pérdida, en los vehículos.

En el caso de Costa Rica no es necesario buscarle 5 patas al gato, somos un país completamente electrificado y con la energía resulta muy caro hacer transiciones de un carrier a otro innecesariamente; nuestra inmensa red eléctrica es el mejor y más eficiente carrier. Ciertamente, para abastecer la creciente flota de vehículos eléctricos en el país es necesario que los distribuidores de electricidad se arrollen las mangas para aumentar significativamente la cantidad de cargadores en nuestro territorio. Valga decir que otra opción paralela es que empresas privadas e individuos puedan crear redes de cargadores y vender electricidad, para lo cual habría que modificar algunas cosas en ARESEP por lo que significa la venta de electricidad por parte de personas físicas y jurídicas que no son ni productores ni distribuidores de electricidad. Todo se puede si vencemos algunos paradigmas que nos paralizan.