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Los grandes cambios que se van a dar en el futuro en la producción de hidrógeno, para ser utilizado en sus múltiples usos energéticos, están siendo inducidos por la lucha contra el cambio climático.
En la actualidad, el hidrógeno se utiliza principalmente para usos no energéticos y mayoritariamente en la producción de fertilizantes y en la refinación de petróleo.
Para que el hidrógeno pueda hacer una contribución significativa a la transición energética hacia las energías limpias para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero, este elemento debe ser utilizado también energéticamente en sectores económicos en los que está casi completamente ausente en este momento, como el transporte público y privado, la industria, los servicios y el comercio.
Como lo he señalado en columnas anteriores, el hidrogeno es el elemento más abundante y más común en el Universo. Se encuentra en estado gaseoso en las estrellas como el Sol (se dice que es el combustible de las estrellas) y en los planetas gaseosos, además de estar unido a elementos que forman una enorme cantidad de compuestos.
El hidrógeno es muy abundante igualmente en el planeta Tierra, pero no se encuentra en estado libre. Se encuentra mezclado o asociado con otros elementos como con el carbono, formando gran cantidad de compuestos orgánicos (biomasa, gas natural, petróleo, carbón, etc.), con el oxígeno formando moléculas de agua o en el cuerpo humano combinado con otros elementos.
Los hidrocarburos contienen principalmente hidrógeno y carbono, los cuales pueden encontrarse en forma gaseosa (gas natural), líquida por condensación (condensados y líquidos del gas natural), líquida (petróleo) y sólida (en forma de hielo, como son los hidratos de metano que se encuentran en los fondos de los océanos). También se encuentra abundantemente en el carbón y en el agua.
Al no existir en estado libre en la Tierra, el hidrógeno debe ser extraído o separado de los diferentes compuestos que lo contienen a través de la aplicación de diversos procesos industriales y tecnologías de producción.
De acuerdo con los datos de la International Energy Agency (IEA), actualmente el 96% del hidrógeno producido en todo el mundo se produce con combustibles fósiles como materia prima: 48% gas natural, 30% petróleo, 18% carbón y solamente un 4% con electrólisis del agua. De 4% de electrólisis, una parte muy pequeña se realiza en este momento con electricidad generada con fuentes renovables de energía.
El anterior promedio mundial varía mucho según cada país productor, ya que en la producción de hidrógeno se aprovechan plenamente la disponibilidad, la producción y las reservas de sus propios recursos naturales, por lo que los porcentajes varían mucho. Tal es el caso de los principales productores a nivel mundial:
• En China, que es el principal productor de hidrógeno del mundo y que tiene grandes reservas de carbón, el 62% del hidrógeno proviene actualmente de esta fuente, 19% del gas natural, el 18% de otros hidrocarburos y alcoholes y el 1% de electrólisis del agua. De este 1% de electrólisis, una parte muy pequeña es con electricidad generada con fuentes renovables de energía. China es actualmente el principal productor de carbón y el décimo productor de gas natural del mundo.
• En los EE.UU., que es el segundo productor de hidrógeno del mundo, y que tiene grandes reservas de gas natural, el 95% del hidrógeno proviene de esta fuente. Los EE.UU. son actualmente el cuarto productor de gas natural del mundo.
La forma de más bajo costo actualmente para producir hidrógeno es el reformado del gas natural con vapor de agua. La molécula del gas natural está compuesta por cuatro átomos de hidrógeno y uno de carbono y está representada por la fórmula CH4.
La materia prima de menor costo en este momento es el gas natural, seguido por el petróleo, el carbón y finalmente la electrólisis del agua (que es actualmente la fuente más cara).
Por lo tanto, el uso del hidrógeno para fines energéticos, como parte de la solución para combatir el cambio climático, requiere de procesos industriales y materias primas diferentes a los actuales que reduzcan significativamente o totalmente las emisiones.
Si este cambio en los procesos industriales de extracción de hidrógeno de los compuestos que lo contienen en la Tierra no ocurre, no habría entonces mayor interés del uso del hidrógeno en el sector energético para fines de lucha contra el cambio climático.
Dichosamente, los continuos adelantos tecnológicos están impulsando, y van a impulsar cada vez más, nuevas formas para producir hidrógeno cuyos procesos de extracción (o separación) de las materias primas que lo contienen emitan pocas o nulas emisiones.
Estos continuos adelantos tecnológicos van a provocar una gran transformación a nivel de los procesos industriales y tecnologías de producción que separan o extraen el hidrógeno de los múltiples compuestos donde se encuentra en el planeta Tierra.
En los usos energéticos del hidrógeno, esta ruta de adopción va a estar marcada también por una gran competencia en materia de costos y de reducción de emisiones, donde las mejores tecnologías irán desplazando paulatinamente a las tecnologías inferiores.
Los códigos de colores identifican los procesos industriales y las tecnologías de producción, no el hidrógeno que se produce, ya que el producto final es el mismo.
Es un gas (H2) con características físicas y químicas similares y que no genera huella de carbono en sus usos, pero no es igual desde el punto de vista de la huella de carbono que se generó para producirlo.
El hidrógeno producido con cualquier proceso industrial es un gas incoloro (invisible) que no tiene tampoco olor y sabor y que no es tóxico, lo que lo hace indetectable para los sentidos humanos. Es también un gas más ligero que el aire. Todas estas características son parecidas a las del gas natural.
Las opciones del hidrógeno verde y del hidrógeno azul son, dentro de este contexto de continuos adelantos tecnológicos, las que potencian la reducción de costos y de emisiones para luchar contra el cambio climático.
La ruta del hidrógeno se está orientando en el futuro hacia estas dos opciones en un proceso que durará varias décadas en consolidarse totalmente.
En el ínterin se dará mucha competencia evolutiva entre las diversas fuentes de hidrógeno y entre las empresas y los países productores.
Muchos países y empresas producirán simultáneamente hidrógeno de diferentes fuentes como parte de una estrategia de neutralidad tecnológica, y aprovecharán así en todo momento el potencial de los continuos adelantos tecnológicos.
Por su naturaleza misma, la producción de hidrógeno, en cualquiera de los procesos productivos y tecnologías que existen, requiere del consumo de grandes cantidades de energía.
1. Hidrógeno verde
1.1 Electrólisis del agua
El hidrógeno verde se define como el hidrógeno producido al dividir el agua en hidrógeno y oxígeno mediante el proceso de electrólisis utilizando electricidad generada con fuentes renovables de energía.
Actualmente existen dos tecnologías bien establecidas para realizar la electrólisis del agua: AWE (Alkaline Water Electrolysis) y PEM (Polymer Electrolyte Membrane).
La estructura del electrolizador PEM es similar a la del electrolizador alcalino (AWE). La principal diferencia es que el primero usa un conjunto de electrodos de película delgada (también conocidos como electrodos de membrana).
La producción de hidrógeno verde tiene dos requerimientos fundamentales:
• La disponibilidad de electricidad de bajo costo generada con fuentes renovables de energía.
• La disponibilidad de suficiente agua para disociarla en hidrógeno y en oxígeno mediante el proceso de electrólisis.
Con respecto al costo de la electricidad, un estudio titulado “After 2020 global hydrogen demand decline, market could rebound by 2022”, publicado por la prestigiosa firma S&P Global Platts, señala lo siguiente:
“La ventaja de costo relativo de varias tecnologías de producción de hidrógeno está altamente correlacionada con los precios de la energía, el gasto de capital y los factores de capacidad.
Los precios de la energía tendrían que estar por debajo de $30/MWh (3 centavos de dólar/Kwh) antes de que el hidrógeno renovable pueda incluso comenzar a ser competitivo en costos con el hidrógeno azul, según el modelo de Platts Analytics.
Esto destaca que una de las sensibilidades más importantes para la producción de hidrógeno renovable (verde) es el costo de la electricidad como materia prima.
Los países con grandes ambiciones de exportación de hidrógeno renovable tienden a ser países con una alta disponibilidad de recursos renovables”.
Con respecto al consumo de agua del proceso de electrólisis, aunque el nivel teórico de consumo es de 9 litros de agua por kilogramo de hidrógeno, en la práctica el consumo de agua está entre 11 a 15 litros por Kg de hidrógeno. El agua de desecho se estima entre el 20% y el 25%.
Un artículo titulado “El agua: El problema al que nadie se refiere al hablar del hidrógeno verde. Proceso de obtención de este combustible requiere inmensas cantidades del elemento”, publicado por Mundo Marítimo, y otro titulado “2 litros de agua en hidrógeno equivalen a 1 litro de nafta (gasolina)”, publicado por Desarrollo, han señalado lo siguiente:
“11 litros de agua arrojan 1 kg de hidrógeno. 1 kg de hidrógeno permite recorrer 100 kilómetros. 100 kilómetros consumen en promedio 6 litros de nafta.
De lo cual resultaría que cada 2 litros de agua transformados en hidrógeno se obtiene combustible equivalente a 1 litro de nafta (gasolina)”.
1.2 Fotocatálisis del agua
Están surgiendo otras tecnologías para producir hidrógeno verde, como la fotocatálisis del agua, la cual no requiere del uso de la electricidad. Esta tecnología divide foto electroquímicamente el agua, y el hidrógeno se produce utilizando directamente la luz solar y semiconductores especializados llamados materiales fotoelectroquímicos, que utilizan la energía de la luz para disociar las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno.
Sin embargo, la eficiencia de esta tecnología todavía es muy baja por lo que no es comercial aún. Habrá que esperar a ver si lo adelantos tecnológicos la harán comercial en el futuro.
2. Hidrógeno azul
En relación con el hidrógeno azul, un artículo titulado “Grey, blue, green – why are there so many colours of hydrogen?”, publicado por el Foro Económico Mundial, señala lo siguiente
“El hidrógeno se etiqueta en azul cada vez que el carbono generado a partir del reformado con vapor (del gas natural o del carbón) se captura y almacena bajo tierra a través de la captura y almacenamiento de carbono (CCS).
Por lo tanto, a veces se hace referencia al hidrógeno azul como neutro en carbono, ya que las emisiones no se dispersan en la atmósfera. Sin embargo, algunos argumentan que ‘bajo en carbono’ sería una descripción más precisa”.
El estudio titulado “Global Hydrogen Review 2021” de la International Energy Agency señaló lo siguiente con respecto a la tecnología CCUS:
“La captura, el uso y el almacenamiento de carbono (CCUS, por sus siglas en inglés) es un facilitador de la producción de hidrógeno con bajo contenido de carbono y de menor costo”.
3. Conclusiones
En los usos energéticos, el hidrógeno producido con cualquier proceso industrial o tecnología no genera gases de efecto invernadero, pero las materias primas y procesos industriales que se usan actualmente en la producción sí generan gases de efectos invernadero.
El interés del hidrógeno dentro del marco de la transición energética hacia energías limpias, para luchar contra el cambio climático, tiene sentido solo si sus emisiones se reducen significativamente o si se eliminan totalmente en los procesos de extracción de las materias primas o compuestos donde se encuentra en la Tierra.
Por esta razón es que la ruta del hidrógeno tendrá en el futuro una transición paulatina hacia el hidrógeno verde y el azul.
Muchos países que tienen una amplia disponibilidad de recursos naturales producirán simultáneamente hidrógeno azul y verde en sus territorios.
Adicionalmente a los avances que tendrá el hidrógeno verde, paralelamente se irán instalando las tecnologías de CCS y CCUS progresivamente en las grandes instalaciones industriales de producción de hidrógeno que existen actualmente y que usan gas natural (EE.UU., etc.) y con carbón (China, Australia, etc.) para producir simultáneamente hidrógeno azul.
El uso directo de la electricidad (en los vehículos eléctricos de baterías, por ejemplo) es una importante competencia, no importa el origen del hidrógeno, y está creciendo muchísimo más rápido que el uso energético del hidrógeno.
Sobre la transición paulatina del hidrógeno en el sector energético y sobre la importancia del hidrógeno como uno de los componentes en la transición energética que está ocurriendo en el mundo, un estudio publicado por la International Energy Agency (IEA), con el título “Global Hydrogen Review 2021”, señaló lo siguiente:
“El hidrógeno es una parte importante del Escenario de Cero Emisiones Netas, pero es solamente una pieza del rompecabezas. Lograr cero emisiones netas para el 2050 requerirá de una amplia gama de tecnologías para transformar el sistema energético.
Los pilares fundamentales para descarbonizar el sistema energético mundial son la eficiencia energética, los cambios de comportamiento en el consumo, la electrificación, las energías renovables, el hidrógeno y los combustibles a base de hidrógeno y CCUS (captura, uso y almacenamiento de carbono; del inglés Carbon Capture, Usage and Storage).
La importancia del hidrógeno en el Escenario de Emisiones Netas Cero se refleja en su creciente participación en el Consumo Final Total de Energía (CFTE): en el 2020, el hidrógeno y los combustibles a base de hidrógeno representaron menos del 0,1 %, pero para el 2030 alcanzarán el 2 % del CFTE y el 10% en el 2050.
Sin embargo, por sí solo, este aumento de la demanda no es suficiente para hacer del hidrógeno un pilar clave de la descarbonización.
Una barrera importante para el hidrógeno bajo en carbono es la brecha de costos con el hidrógeno proveniente de los combustibles fósiles. En la actualidad, la producción de hidrógeno a partir de combustibles fósiles es la opción más barata en el mundo.
Australia, Chile, Oriente Medio y el Norte de África emergen como regiones claves exportadoras en el Escenario de Compromisos Anunciados, beneficiándose del bajo costo de producir hidrógeno a partir de energías renovables y del gas natural con CCS (Carbon Capture and Storage)”.
Los continuos adelantos tecnológicos irán potenciando cada vez más la transición hacia el hidrógeno verde y azul, así como hacia los usos energéticos del hidrógeno.
