La quimera del hidrógeno verde.

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Descarbonizar la matriz energética del planeta es un imperativo ineludible, y entre las alternativas que incluyen a las ERNC se ha planteado el desarrollo del hidrógeno verde. Actualmente los países están destinando abundantes recursos para dinamizar este sector. Sin embargo, ello podría enfrentar obstáculos difíciles de sortear.

Escrito por: Patricio Escobar, Barcelona.

Esta publicación fue obtenida de la plataforma: La Mirada Semanal

Enfrentar la descarbonización de la matriz energética es una carrera contra el tiempo, y el death line es el impacto del cambio climático que ya está avanzado y que se origina en el uso intensivo de los llamados combustibles fósiles. Con el paso de los años se ha creado finalmente una conciencia que, mediante la innovación, empuja la búsqueda de alternativas a ese tipo de energía. Sin embargo, las fuentes de energía renovable no convencional (ERNC), para diferenciarla de la hídrica en la producción de electricidad, están lejos de ser una panacea, e incluso es muy discutible que puedan reemplazar la energía proveniente del petróleo, carbón y el gas natural, al punto que la única alternativa real y más inmediata para salir de los combustibles fósiles es la tan despreciada energía nuclear.[1]

A pesar del incremento significativo en la oferta de ERNC, aún es una proporción reducida del consumo total que no alcanza al 30%[2], y lo más complejo es que esa oferta no es muy elástica puesto que requiere, para su producción, de insumos que son escasos, como es el caso de las llamadas “tierras raras”. La columna citada, que fue publicada hace un año, analiza los distintos cuellos de botella que enfrenta la producción de electricidad con fuentes de ERNC. Sin embargo, el problema continúa estando presente. No es claro el modo en que debemos superar el estado actual de la matriz energética en el mundo.

El hidrógeno

Así como el sol y el viento hace décadas que compiten por sustituir a las fuentes más contaminantes de energía, también lo ha hecho el hidrógeno. Hace medio siglo que se realizan investigaciones en esa dirección. Se trata del elemento más abundante de la naturaleza y también el más limpio en cuanto a emisiones o residuos. El problema es que prácticamente no se encuentra en estado puro, sino ligado a otros elementos en el Universo, principalmente carbono cuando conforman el gas metano, y con el oxígeno para dar lugar a la sustancia más abundante que hay en la Tierra: el agua.

Lo que hace décadas se veía como ficción, hoy es una realidad. De hecho, el hidrógeno como fuente generadora de electricidad permitió que el módulo lunar de la nave Apolo 11 llegara a la Luna. En este caso se trataba de una pila alcalina de hidrógeno que, además, permitía producir calor y agua como subproductos del proceso de generación de electricidad necesarios para la misión.

En un mundo compelido a la reconversión energética como condición de sobrevivencia, es una ventaja invaluable el hecho de llegar a contar con una fuente de energía prácticamente infinita y a un costo que aparenta ser reducido. En general, tendemos a pensar que se trata de la energía necesaria para alimentar la electrólisis y, cada cierto tiempo, los componentes del sistema. Se ve como el paradigma de la autonomía energética en un mundo electrificado.

Se ha asumido que otra de las ventajas significativas del hidrógeno es que se puede almacenar y transportar hacia cualquier otro sitio, lo cual no es el caso de las demás ERNC; estas deben recurrir a sistemas de baterías de almacenamiento cuando existen las condiciones para la generación, o sea, luz solar o viento en las alternativas más comunes, y así poder proveer energía del sistema fotovoltaico por la noche o cuando no hay viento. Sin embargo, es una solución muy imperfecta, y lo que más se ensaya es entregar la energía excedente a la red para poder compensar la demanda al sistema cuando no se dan las condiciones para el funcionamiento de los sistemas eólicos, solares u otros, lo cual tampoco es una solución óptima, por cuanto la oferta y la demanda que una unidad doméstica hace a la red, no necesariamente es simétrica.

Pero en la realidad esta virtud de poder almacenar y transportar el hidrógeno aún presenta dificultades de difícil solución. En su mayor parte derivan del hecho de que el hidrógeno es una molécula extraordinariamente ligera, por tanto, almacenarlo a gran escala requeriría, en principio, depósitos de volúmenes imposibles para la ingeniería actual. Reducir el tamaño de esos depósitos supone un ejercicio de compresión de este elemento, al tiempo que el material para un depósito de este tipo necesita ser impermeable a moléculas con la masa atómica más reducida del Universo (1,008 uma). Como referencia, el nitrógeno tiene una masa atómica de 14,007 uma y el oxígeno de 15,999 uma, por eso se pueden almacenar en un tubo de acero.[3]

La alternativa de almacenamiento y transporte es licuar el hidrógeno, pero aquí nos enfrentamos a otro inconveniente: la temperatura a la que el hidrógeno se licúa es muy baja. Mientras el gas natural se licúa a -162º C, el hidrógeno lo hace a -253º C.[4] Esto implica que tanto el proceso de licuefacción como el mantenimiento en ese estado, exigen una gran cantidad de energía. Para licuar un kilo de gas natural se necesitan 11 Kw/h, lo que en el caso del hidrógeno es de 55Kw/h, lo cual es una barrera insalvable en términos de eficiencia en la generación de electricidad por esta vía.[5]

Las expectativas

El Hydrogen Council, el Lobby de la industria del hidrógeno ligado al Banco Mundial más importante a nivel mundial[6], y la Consultora McKinsey, ligada al sector energético,[7] proyectan que la demanda de hidrógeno podría multiplicarse por siete para 2050, con dos tercios de la producción a través de electricidad renovable y electrolizadores, y el tercio restante se formaría por medios convencionales, pero con sistemas de captura y retención de CO2. Del mismo modo, la Agencia Internacional de la Energía proyecta un aumento de la producción de hidrógeno de más del 135% entre 2020 y 2030 para cumplir con los compromisos ambientales.[8] La Agencia Internacional para las Energías Renovables de Naciones Unidas (IRENA), prevé que limpiar el hidrógeno de otros elementos podría representar el 12% del consumo final de energía para el 2050,[9] mientras que el BNEF estimó un papel aún mayor de hasta el 24% (BNEF, 2020).

El canciller alemán Olaf Scholz ha llamado al hidrógeno “el gas del futuro” y auguró un desarrollo importante del sector.[10] Algo similar ha planteado el primer ministro de Japón, Fumio Kishida, cuando señala que “cambiar y desarrollar una sociedad del hidrógeno es fundamental para lograr la descarbonización“. Frans Timmermans, vicepresidente ejecutivo de la UE para el Acuerdo Verde Europeo, cree que la respuesta a los problemas también está en el hidrógeno. Jacob Rees Mogg, brevemente Secretario de Estado de Energía del Reino Unido este año, llamó al hidrógeno “la bala de plata“.[11]

El dinero público está comenzando a fluir. La UE aprobó los primeros 13 000 millones de euros de los 430 000 millones prometidos en su Estrategia de hidrógeno 2030 y ahora está trabajando para lanzar un “Banco de hidrógeno“. La Ley de Reducción de la Inflación de los EE. UU. proporciona una devolución de impuestos a diez años por kilogramo de hidrógeno verde por un valor de US$ 3, que pronto será más que el costo de producción en sí.[12]

Ciertamente, las expectativas son amplias, pero ¿no serán un tanto exageradas? Si ese fuera el caso, ¿perderemos solo dinero en un proyecto faraónico?

Los “tipos” de hidrógeno

Contar con una fuente de energía que modifique la matriz fósil, como hemos visto es la meta de distintas iniciativas de políticas públicas y de importantes inversiones. Estas giran en torno a la producción del llamado hidrógeno verde, denominación que refiere al proceso de producción, puesto que el hidrógeno es un elemento de la naturaleza, por definición es homogéneo y siempre será el mismo. Entonces, las distintas denominaciones se refieren al tipo de energía utilizada en ese proceso.

Cuando hablamos del proceso de producción, lo hacemos respecto a la manera en que separa el hidrógeno de los elementos que lo acompañan; dicho procedimiento es la electrólisis.[13] Del tipo de energía que se utilice para el proceso de separación de las moléculas de hidrógeno de los distintos otros elementos presentes, depende el tipo de hidrógeno resultante, los que se identifican por colores.[14] El más utilizado actualmente es el llamado hidrógeno gris (también existe el hidrógeno negro,que usa carbón o petróleo en su producción).

Si bien la utilización del hidrógeno como combustible solo genera agua como residuo, naturalmente no ocurre lo mismo con la energía que se usa para su generación. En el caso del hidrógeno gris, se utilizan combustibles fósiles, particularmente el gas natural, dado que es el menos costoso de producir y el que más se consume.[15]

Fuente: https://www.sostenibilidad.com/energias-renovables/produccion-hidrogeno-verde/?_adin=02021864894

Con la misma fuente de energía, los combustibles fósiles, se produce el que se conoce como hidrógeno azul, y tiene como diferencia fundamental con el hidrógeno gris el que se utilizan procedimientos para capturar y almacenar las emisiones de COque resultan del proceso; es por esta razón que su producción resulta mucho más costosa. Existe también el denominado hidrógeno rosa, que utiliza como fuente de energía para su proceso de producción a la energía nuclear, la cual sabemos que produce residuos de difícil tratamiento. Finalmente, tenemos el llamado hidrógeno verde, que, a diferencia de los anteriores, el proceso de electrólisis para la liberación de las moléculas de hidrógeno no produce emisiones de CO2, en tanto las fuentes de energía utilizadas son ERNC. La limitación con que cuenta esta modalidad de producción de hidrógeno es justamente la disponibilidad de ERNC, para un proceso que es intensivo en ese factor.

En la actualidad se están utilizando 94 millones de toneladas de hidrógeno al año, casi todo proveniente de procesos con base en combustibles fósiles. Ello contribuye con el 2,3% del total de las emisiones de CO2. Si se tratara de transformar ese hidrógeno gris (94 MMT) en hidrógeno verde, se necesitaría toda la electricidad producida como ERNC y un 50% más.[16]

Si tomamos como ejemplo la situación de Catalunya, que cuenta con un importante desarrollo en este campo respecto a otras regiones y países, requeriría 120 GW de ERNC para poder producir el hidrógeno verde que necesitaría y, sin embargo, solo cuenta con 2 GW instalados. Este solo hecho pone en duda el optimismo extremo de algunos discursos, más aún, considerando lo que hemos señalado. No se trata solo de más inversiones, la ampliación de la oferta de ERNC enfrenta límites físicos de disponibilidad de los insumos necesarios.

Un aspecto adicional se refiere al costo de estos procesos. Si el gas natural (GN) que llega a través de gaseoductos es el combustible más barato, el gas natural licuado (GNL) tiene en promedio un costo que duplica al que se traslada por tuberías (más adelante veremos por qué), mientras que el hidrógeno resulta entre cuatro y seis veces más caro que el GNL. Es decir, respecto al gas que circula por gaseoductos, el hidrógeno es entre ocho y doce veces más costoso.[17]

Los problemas

Los principales inconvenientes del hidrógeno, independiente de su color, no son políticos. Como en términos económicos es prácticamente un bien libre y su producción solo depende de la disponibilidad de energía, no se aprecian intereses enfrentados por su posesión y no se ve necesario invadir un país o propiciar cambios de régimen para obtenerlo. Tampoco es un problema económico, porque a pesar de su escasa competitividad respecto al gas natural, este tiene en contra el problema no menor de las emisiones, que aun siendo menores que las de otros combustibles fósiles, en las actuales condiciones ambientales no pueden omitirse.

Los verdaderos problemas derivan de las propiedades físicas del hidrógeno, que comprometen la factibilidad de generar un mercado internacional del commodity, condición que debe estar en todo ejercicio de factibilidad de las inversiones en el sector.

El hidrógeno posee amplias ventajas sobre otros combustibles en términos de su densidad de energía gravimétrica,[18] esto es, la cantidad de energía que puede transportar por unidad de peso. Según Liebreich, triplica la que posee el GN, y el GNL y los petróleos refinados. Pero, al contrario, su densidad de energía volumétrica es muy baja, lo cual remite a la energía transportada por unidad de volumen. El ejemplo de Liebreich es que mientras un m3 de agua pesa 1 000 kl, un m3 de hidrógeno pesa 71 kl.[19] Esa diferencia resulta crucial al medir la eficacia del transporte.

Como el tamaño de los barcos que podrían transportarlo es limitado, salvo que no esperen cruzar por el Canal de Panamá o el Canal de Suez y mantenerse solo en un hemisferio, cosa del todo imposible, implica necesariamente una cantidad mayor de viajes. En comparación con el GNL, para transportar en hidrógeno la misma cantidad de energía que se llevaría en un solo viaje llevando GNL, se necesitarían 2,5 viajes cargando hidrógeno.[20]

Una de las ventajas económicas del GN sobre el GNL es que se puede transportar mediante gaseoductos sin necesidad de licuarlo. Ello se debe al detalle no menor de la temperatura que es necesaria para condensarlo, la que es de -162ºC. Esta propiedad física del GN explica que el GN que se transforma en GNL, al ser transportado en barcos pierde hasta un 10% por evaporación, debido a las dificultades que entraña el mantenerlo en estado líquido durante el viaje. Por esta condición, muchos barcos modernos están equipados para utilizar ese combustible evaporado en sus propias máquinas.

Ahora bien, el problema del GNL y su transporte se multiplica en el caso del hidrógeno, puesto que la temperatura a la que este se licúa es de -263ºC. Esto implica que el costo de esa licuefacción, en términos de su contenido energético, equivale a entre el 30% y el 40%. O sea, si queremos vender 100 dólares de hidrógeno, en ausencia de gaseoductos, deberemos gastar entre 30 y 40 dólares en electricidad para licuarlo. Si a eso sumamos el costo de la electrolisis para producirlo como gas, ya antes de ponerlo en un barco se transformará en un problema. Pero eso no es todo, aún quedan dos etapas: transporte y regasificación.

El problema principal de estas etapas es el de la temperatura a la que debe mantenerse el hidrógeno durante el transporte (-263ºC) y en el lugar de destino en que será regasificado. Una temperatura tan baja fragiliza en extremo los materiales, particularmente los metálicos. Así, válvulas, tuberías y otras instalaciones resultan especialmente caras y su vida útil es limitada. Muchas iniciativas divulgadas en el último tiempo han supuesto que es factible reconvertir gaseoductos y plantas regasificadoras de GN para recibir hidrógeno, pero diversos analistas señalan que lo único reutilizable de esas instalaciones son los muelles donde atracan los barcos que lo transportan y los edificios. Es decir, el 70% de las instalaciones y el equipamiento debe ser reemplazado.

Por todo lo anterior, la perspectiva de un mercado abierto de hidrógeno, es aún prematura. Mientras no se resuelva eficientemente su transporte y almacenamiento, solo es factible la creación de mercados locales, allegados a los lugares de producción, ello considerando que el transporte se realiza en forma de gas a través de tuberías. Esto no obsta para que en un futuro cercano la investigación científica resuelva problemas que hoy vemos como verdaderos impedimentos, pero, mientras tanto, los usos posibles del hidrógeno son acotados.

Las aplicaciones reales

No es dable pensar en la construcción de redes urbanas de hidrógeno, debido a los problemas señalados de almacenamiento y transporte. En ese sentido, “es más fácil electrificar que hidrogenar,[21] y el resultado en términos medioambientales es el mismo si la generación deriva de las ERNC.

Sin embargo, existe un amplio conjunto de diversas actividades industriales que comparten como características el ser grandes consumidores de combustibles convencionales y requerir de altas temperaturas en sus procesos. Es el caso de los productores de cemento, de fertilizantes, la siderurgia, la industria química, etc.

Un segundo ámbito de utilización se encuentra en algunos medios de transporte y esto se debe a que las pilas de hidrógeno pesan significativamente menos que las baterías de litio, lo que incide de manera importante en la ingeniería y el diseño de vehículos como trenes, barcos de carga y camiones.

En todos estos casos, se trata de procesos que es sabido el alto grado de contaminación que producen y que, sin poder prescindir de ellos, inciden decisivamente en la situación ambiental que enfrentamos. La incorporación del hidrógeno en este tipo de procesos industriales es una respuesta posible.

Los derroteros actuales del hidrógeno se orientan hacia sus derivados, como son el gas metano y el metanol, así como también los llamados e-Fuell, que son combustibles sintéticos que no contaminan. En todos los casos, aún resultan de procesos productivos de alto costo.

De lo deseable a lo posible

La voluntad de innovar frente a las restricciones y los intereses que la empujan, han situado al hidrógeno como una respuesta posible. Tras esa meta se ordenan iniciativas públicas y privadas.

Para que se plantee como una respuesta factible frente a la crisis ambiental y eficiente en términos de costos, se ha señalado la versión verde del hidrógeno como alternativa. Sin embargo, es prácticamente imposible que en el presente se supere el cuello de botella que impide el crecimiento de las ERNC. Para avanzar hasta los límites que el hidrógeno pueda llegar como reemplazo de los combustibles fósiles, la vía más factible en el presente no es la del hidrógeno verde, sino la del hidrógeno rosa.

La energía nuclear provoca rechazo por los riesgos de accidentes (Three Milles, 1979; Chernobyl, 1986 y Fukushima, 2011, por citar los más conocidos) y por el difícil tratamiento de los residuos. Pero en cada ocasión, estos peligrosos eventos han provocado innovaciones y desarrollos de nuevos sistemas de seguridad. Con todo, actualmente el 15% de la demanda eléctrica en el mundo proviene de esa fuente.

Finalmente, es claro que podríamos darnos el lujo de invertir cantidades exorbitantes de dinero tras los proyectos del hidrógeno. Si las perdemos, solo deberemos trabajar más para tener más de ese dinero. Sin embargo, lo que no tenemos es tiempo para enfrentar la amenaza climática, y el camino del hidrógeno podría no ser una vía de solución sino un sendero a ninguna parte.


[1] https://lamiradasemanal.cl/las-fronteras-de-la-transicion-energetica-la-alternativa-del-diablo-por-patricio-escobar-desde-barcelona/

[2] https://datos.enerdata.net/energias-renovables/produccion-electricidad-renovable.html

[3] https://www.lenntech.es/tabla-peiodica/masa-atomica.htm

[4] https://www.enestas.com/que-es-gas-natural-licuado/

[5] Diario ARA, enero 08; 2023. y https://www.youtube.com/watch?v=tu3kttfSL2A

[6] https://hydrogencouncil.com/en/

[7] https://www.mckinsey.com/

[8] https://www.iea.org/news/hydrogen-patents-indicate-shift-towards-clean-technologies-such-as-electrolysis-according-to-new-joint-study-by-iea-and-epo

[9] https://www.irena.org/publications/2022/Mar/World-Energy-Transitions-Outlook-2022

[10] https://www.lapoliticaonline.com/espana/economia-es/moncloa-insiste-con-el-hidrogeno-verde-los-expertos-dudan-la-retorica-se-ha-vuelto-cada-vez-mas-exagerada/

[11] https://ufo-community.com/los-planes-energeticos-del-reino-unido-de-jacob-rees-mogg-son-peores-que-las-costosas-bombas-de-calor/

[12] https://about.bnef.com/blog/liebreich-the-unbearable-lightness-of-hydrogen/

[13] https://rosetta-technology.com/es/aula-tecnica/notas-tecnicas/pila-combustibe-hidrogeno-como-funcionan

[14] https://goodnewenergy.enagas.es/innovadores/del-gris-al-verde-los-colores-del-hidrogeno/

[15] https://www.sostenibilidad.com/energias-renovables/hidrogeno-gris-azul-verde/?_adin=02021864894

[16] https://about.bnef.com/blog/liebreich-the-unbearable-lightness-of-hydrogen/

[17] https://about.bnef.com/blog/liebreich-the-unbearable-lightness-of-hydrogen/

[18] https://energyeducation.ca/Enciclopedia_de_Energia/index.php/Densidad_energ%C3%A9tica

[19] https://about.bnef.com/blog/liebreich-the-unbearable-lightness-of-hydrogen/

[20] https://www.aop.es/blog/2021/03/23/se-puede-producir-hidrogeno-transportarlo-y-usarlo-de-manera-segura/

[21] Diari ARA. Enero 08; 2023. Pág. 07.

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