La ruta del hidrógeno tiene también su propia transición interna (I)

Roberto Dobles roberto.dobles@gmail.com | Lunes 22 noviembre, 2021

Además de la transición energética que está en proceso en el mundo, la ruta futura del hidrógeno tiene también su propia transición interna a nivel de la demanda y de la oferta.

Entre los aspectos claves de esta transición interna se encuentran los siguientes:

• Demanda. Adicionalmente al abastecimiento del consumo creciente en los usos tradicionales (que son mayoritariamente no energéticos), la ruta del hidrógeno incluye la estrategia de penetración progresiva del mercado energético de varios sectores importantes (transporte, industria, etc.), cuyo consumo de hidrógeno como vector energético es actualmente insignificante.

• Oferta. 1. Transición paulatina en las fuentes de donde se extrae el hidrógeno para ir reduciendo progresivamente las emisiones de gases de efecto invernadero durante los procesos de industriales de producción de hidrógeno. 2. Producción de múltiples productos energéticos (combustibles sintéticos, como gasolina, diésel, querosene y gas natural carbono neutros) y no energéticos (fertilizantes, entre muchos otros) con hidrógeno.

El punto de partida de la ruta del hidrógeno, en esta nueva etapa, se inicia con la estructura tecnológica y comercial actual, donde:

• La demanda está dominada por los usos no energéticos, siendo los usos energéticos todavía insignificantes.

• La oferta está dominada por procesos industriales cuya producción de hidrógeno utiliza masivamente los combustibles fósiles como fuente de hidrógeno.

La evolución de esta ruta se caracterizará, como cualquier otra actividad, por adelantos tecnológicos continuos que irán transformando los patrones de consumo y de producción.

Un estudio titulado The Future of Hydrogen, elaborado por la International Energy Agency (IEA), brazo energético de la OCDE, señaló lo siguiente sobre los usos del hidrógeno como vector energético:

“Hoy en día, el hidrógeno se utiliza mayoritariamente en la refinación de petróleo y en la producción de fertilizantes. Para que pueda hacer una contribución significativa a las transiciones de energías limpias, el hidrógeno debe adoptarse también en sectores en los que está casi completamente ausente en este momento, como el transporte, los edificios y la generación de electricidad”.

En los usos tradicionales no energéticos el hidrógeno casi no tiene competencia, mientras que en los nuevos usos energéticos que se le busca dar enfrenta una fuerte competencia, particularmente en costos. Esta competencia proviene principalmente de los usos directos de la electricidad generada por fuentes primarias de energía de bajo costo, como la energía solar y la eólica.

Debido a los continuos adelantos tecnológicos y a la infraestructura de trasmisión y de distribución eléctrica ya existente, la cadena de valor del uso directo de la electricidad (vehículo eléctrico de baterías, por ejemplo) está resultando mucho más barata que la cadena de valor del uso energético del hidrógeno (vehículo de hidrógeno, por ejemplo).

1. Características básicas del hidrógeno

El hidrógeno (H2), producido con cualquier fuente, cualquier materia prima y cualquier tecnología, es un gas inodoro, incoloro (invisible), no tiene sabor y no es tóxico, lo que lo hace indetectable para los sentidos humanos. Es también un gas más ligero que el aire. Estas características son parecidas a las del gas natural.

El hidrógeno es muy inflamable y explosivo (se quema violentamente en el aire). Las llamas son casi invisibles a simple vista, por lo que se necesita un detector de llamas para poder detectar si una fuga de hidrógeno está ardiendo.

Según datos de Criogas, la llama del hidrógeno tiene una temperatura mucho más elevada que la de muchos otros combustibles y conduce a temperaturas de llama de 3.000 y 3.500 grados centígrados (oC) cuando se quema con oxígeno puro. Esta temperatura puede ser usada para corte y soldadura en la industria del metal. La temperatura de la llama del hidrógeno con aire es de oC 2.254.

El acetileno, que es también un gas, se utiliza para corte y soldadura de metales y tiene una llama de unos 3.200 grados centígrados. Al igual que el hidrógeno, el acetileno es también altamente inflamable, más ligero que el aire e incoloro.

A título comparativo, la temperatura de las llamas con aire de otros combustibles son las siguientes: Gasolina oC 2.138, Gas Natural oC 1.960, Gas Licuado de Petróleo (GLP) oC 1.980, Madera oC 1.980 y Búnker (Fueloil Pesado) oC 2.102

2. Producción actual de hidrógeno

Según los datos de la International Energy Agency (IEA), el 96% del hidrógeno producido en todo el mundo se produce con combustibles fósiles: 48% gas natural, 30% petróleo, 18% carbón y solamente un 4% con electrólisis del agua.

Los porcentajes de esta estructura de producción en el mundo son un reflejo de dos factores claves: la disponibilidad en cada país de cada una de las materias para producir hidrógeno y los costos asociados a su producción.

La materia prima de menor costo es el gas natural, seguido por el petróleo, el carbón y finalmente la electrolisis del agua (que es la fuente más cara).

Al tener el costo más bajo, los países que tienen altas reservas de gas natural producen hidrógeno mayoritariamente con este recurso como materia prima para extraerlo.

Este es el caso, por ejemplo, de los EE.UU. De acuerdo con datos publicados por el Ministerio de Energía de ese país, “hoy en día, el 95% del hidrógeno producido en los Estados Unidos se obtiene mediante el reformado del gas natural con vapor de agua”. Los principales Estados donde se produce son California, Luisiana y Texas.

El punto de inicio de la ruta del hidrógeno a nivel mundial empieza con el 96% del hidrógeno producido con combustibles fósiles. Cada país tiene su propio punto de inicio, el cual depende de sus características y de la disponibilidad local de las diversas materias primas para producirlo con costos que sean competitivos internacionalmente.

En el caso de los EE.UU., el punto de inicio de esta ruta es el 95% del hidrógeno producido el reformado del gas natural con vapor de agua, como se señaló anteriormente.

Las principales regiones y países productores de hidrógeno del mundo son, en orden de mayor a menor, China, los países del Medio Oriente, EE.UU., Europa, los países del Sudeste Asiático, los países de América del Sur, Japón y Canadá.

Esta distribución de países y regiones coincide con el uso del hidrógeno en las actividades industriales que se ubican predominantemente ahí, como refinerías, industrias pesadas y empresas petroquímicas.

3. Usos actuales del hidrógeno

Un artículo titulado Hydrogen in the Energy Transition, publicado por la Florence School of Regulation, señaló lo siguiente sobre los usos actuales del hidrógeno:

“La demanda actual de hidrógeno está relacionada principalmente con usos industriales no energéticos en los que esta molécula se utiliza como materia prima. Algunos ejemplos de estos usos son los siguientes:

Procesos de remoción de impurezas del crudo en las refinerías de petróleo, siendo la principal el azufre;

Plantas químicas que producen una amplia variedad de moléculas, como por ejemplo, el amoníaco (NH3) y el metanol (CH3OH), y muchos otros (metileno, etileno,…) que sirven como materia prima para la producción de otros productos químicos, incluidos fertilizantes, productos domésticos y disolventes industriales;

Producción de acero a través de la ruta tecnológica de Hierro Reducido Directo (Direct Reduced Iron, DRI)”.

Además de la refinación de petróleo y la producción de fertilizantes, que son actualmente los principales usos, y de los otros usos señalados anteriormente, el hidrógeno tiene muchos otros no energéticos, como los siguientes:

Limpieza de la superficie de metales para alistarlos para revestimiento o enchapado, reactivo en muchos procesos en la industria química, procesamiento de alimentos, fabricación de productos farmacéuticos, aleación de metales, soldadura con hidrógeno atómico (que es un tipo de soldadura por arco que utiliza un entorno de hidrógeno) y fabricación de productos electrónicos (como agente reductor y de grabado eficiente, el hidrógeno se utiliza para crear semiconductores, LEDs, pantallas, segmentos fotovoltaicos y otros componentes electrónicos) y peróxido de hidrógeno (que es un agente esterilizante que se utiliza rutinariamente en las clínicas y los hospitales para limpiar heridas, cortes y otras partes de tejido dañadas, conocido también como agua oxigenada).

4. Usos energéticos del hidrógeno

Además de aumentar la demanda en los usos no energéticos tradicionales, la ruta del hidrógeno busca incorporar nuevos mercados y nuevos sectores donde está ausente y donde tiene una demanda insignificante.

Estos nuevos mercados y nuevos sectores están relacionados con el uso energético del hidrógeno.

Sobre sus nuevos usos futuros potenciales, que son principalmente energéticos, un artículo titulado “Outlines of a Hydrogen Roadmap”, publicado por TKI Niew Gas Topsector Energie de Holanda, señaló lo siguiente:

“El uso relacionado con la energía implica el posible uso de hidrógeno como combustible en las siguientes aplicaciones:

• Producción de calor de alta temperatura para procesos en la industria, como la industria química, la siderurgia y las refinerías de petróleo.

• Vehículos eléctricos de celda de combustible de cero emisiones, como automóviles, autobuses, vehículos pesados, ferrocarriles y barcos.

• Producción de electricidad en centrales eléctricas flexibles de gas (turbinas de gas de ciclo combinado).

• Producción de calor para calefacción de espacios (calor a baja temperatura) en el entorno actual y posiblemente también para el calentamiento de agua.

La mayoría de las tecnologías necesarias para los nuevos usos energéticos del hidrógeno aún se encuentran en la fase de investigación y desarrollo (I + D) o de demostración.

En este momento, solo los vehículos de pasajeros propulsados por hidrógeno, denominados vehículos eléctricos de celda de combustible (Fuel Cell Electric Vehicles, FCEV), han alcanzado una fase de adopción.

Cabe señalar que en la movilidad y en los usos de energía en los sectores industrial y residencial, el uso directo de la electricidad es un fuerte competidor del hidrógeno.

Además, para los usos de energía industrial y residencial, los consumidores también podrían recibir una mezcla de hidrógeno y gas natural, en alternativa al hidrógeno gaseoso puro”.

Los usos energéticos del hidrógeno son actualmente ínfimos y su demanda futura en sectores claves, como el transporte, la industria, el comercial y el residencial, va a estar ligada a la evolución de los costos en toda su cadena de valor, los cuales determinarán el costo final al consumidor.

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