El hidrógeno verde será nuclear

En las últimas semanas los medios de prensa comenzaron una nueva campaña de promoción del hidrógeno para uso energético, reflejando las estrategias de los países europeos para alcanzar el objetivo de “net zero” (emisiones cero)  en 2050. En nuestro país, YPF también se sumó a esta ola de final todavía incierto. Después de décadas de estancamiento y amaneceres falsos,  la Unión Europea estableció una nueva estrategia para el hidrógeno, nuevamente inspirada más en cuestiones geopolíticas que tecnológicas. Este impulso está  sustentado en que las energías renovables se están topando con ciertos límites a su desarrollo y porque tampoco han logrado la baja esperada en las emisiones de CO2. Más allá del fenomenal sistema de subsidios, hay problemas que tienen que ver con la termodinámica y la estructura del régimen energético de nuestras sociedades. Sólo el 40% de la energía primaria se utiliza para generar electricidad; calor y movilidad son muy difíciles de reemplazar por fuentes como la solar y la eólica. Y estas fuentes requieren la utilización de más materiales y minería. Ante esta situación,  los promotores de la descarbonización están proponiendo esta nueva agenda aún más ambiciosa, tal vez como una manera de encubrir sus predicciones erróneas.  Alemania y el Reino Unido son un buen ejemplo del enfoque europeo emergente. Estos países  planean quemar hidrógeno en lugar de gas natural para generar electricidad con el objetivo de equilibrar y asegurar el inestable sistema eólico y solar creado por US$ 14 mil millones al año en subsidio en el Reino Unido y más de US$ 30 mil millones en Alemania.  El hidrógeno reemplazará al gasoil para la maquinaria agrícola y para los camiones, y suministrará casi todo el calor del proceso industrial. Además, para garantizar que los hogares no recurran a la calefacción eléctrica resistiva cuando sus bombas de calor  no funcionan en los días más fríos del año, cada casa tendrá una caldera de respaldo alimentada con hidrógeno. Un proyecto para el primer mundo y con muchos interrogantes tecnológicos.

El problema es que el hidrógeno no es una fuente de energía, no se encuentra libre en la naturaleza y hay que producirlo, para lo cual se utilizan dos procesos conocidos desde hace muchos años,  como la electrólisis del agua y la reforma química del gas natural utilizando vapor (Stream Methane Reforming). Ambos procesos funcionan bien para la producción de poco volumen de hidrógeno para fines específicos y no energéticos. Pero, con la tecnología actual, es un sinsentido termodinámico sugerir su uso para la producción de hidrógeno como un vector energético para toda la sociedad. Este objetivo ya había sido planteado por Jeremy Rifkin en 2002 en su popular libro “La economía del hidrógeno”. Ahí Rifkin planteaba una utilización casi utópica del hidrógeno inspirado en la necesidad de buscar reemplazos para los combustibles fósiles. En ese momento, el problema no era las emisiones de CO2 sino la dependencia cada vez mayor de EEUU y los países OCDE del petróleo árabe. Hoy, el objetivo declarado es la descarbonización, pero la tecnología no ha cambiado y los problemas relacionados a la producción del hidrógeno tampoco. La novedad, en todo caso,  es la capacidad instalada de energías renovables que permitirían lograr la producción de hidrógeno sin emisiones. Por eso, antes de contar los proyectos impulsados principalmente por Alemania, hay tres desventajas principales que es importante tener en cuenta:

En primer lugar, los costos serán enormes. Los SMR y los electrolizadores son caros de construir y operar, y los electrolizadores al menos no tienen una vida útil prolongada, lo que implica un ciclo de renovación de capital corto. A esto podemos agregar el reemplazo de dispositivos de conversión final y el establecimiento de infraestructura de hidrógeno, tuberías y sistemas de almacenamiento que van desde tanques hasta cavernas de sal.

En segundo lugar, debido a las pérdidas de conversión y almacenamiento, el hidrógeno de la electrólisis y SMR nunca puede competir económicamente con sus propios combustibles  que son utilizados para su generación. Es más eficiente y económico utilizar la electricidad y el gas natural directamente. En consecuencia, habrá ventajas competitivas sustanciales para las economías que no sigan con la agenda europea del hidrógeno.

En tercer lugar, el Steam Methane Reforming emite grandes cantidades de dióxido de carbono, comprometiendo cualquier objetivo de Net Zero a menos que los SMR estén equipados con captura y secuestro de carbono (CCS), que es costoso y actualmente no está disponible a gran escala. De hecho, lo que revela la exageración actual sobre el hidrógeno es que los objetivos globales del Net Zero dependen de manera crítica del metano ya que la mayor cantidad de hidrógeno se obtendrá a partir del SMR, por lo tanto, el objetivo de no emisión se logra sólo por la captura de carbono. Pero si CCS se vuelve viable, lo cual es posible, será más efectivo usar el metano directamente en las turbinas de gas de ciclo combinado con CCS, y suministrar electricidad al consumidor, y no habría razón para producir hidrógeno, con todos sus costos asociados, problemas y peligros. Por esta razón, el objetivo del proyecto europeo es establecer una economía del hidrógeno a partir del hidrógeno verde.
El llamado “hidrógeno verde” se lo está promocionando como uno de los combustibles del futuro en la Unión Europea y también en Japón, China, Estados Unidos, Australia y Corea del Sur.  Alemania apunta a liderar comercialmente su desarrollo y anunció que invertirá 9 mil millones de euros. Una iniciativa que va de la mano con la creciente producción de energía renovable.

El hidrógeno verde es aquel obtenido a través de la electrólisis del agua, con el aporte de electricidad proveniente de fuentes renovables. La quema de este gas emite solo agua y no genera emisiones de dióxido de carbono (CO2). Alemania es uno de los países que más ha impulsado la transición energética. En este marco, busca desarrollar una “estrategia nacional de hidrógeno” (NationaleWasserstoffstrategie) con una inversión centrada en el apoyo a la electrólisis y apuntando a la generación de 14 TWh a partir del hidrógeno verde para 2030,lo que cubriría alrededor del 15% de la demanda total esperada. El gobierno alemán estima que su consumo de hidrógeno podría aumentar de los actuales 55 TWh a un rango de 90-110 TWh para 2030.

Según Peter Altmaier, ministro de economía y energía de Alemania, el objetivo es claro: “Buscamos liderar el suministro mundial de tecnología de hidrógeno, pero también la producción. Nos proponemos llegar a ser el país número uno por razones de competitividad, pero sobre todo para cumplir con nuestros ambiciosos objetivos climáticos.” De los 9 mil millones de euros que invertirán, 7 mil serán para desarrollar el mercado interno de tecnologías de hidrógeno y 2 mil para acuerdos internacionales. Estas declaraciones muestran una vez más el objetivo geopolítico no declarado detrás de la agenda energética alemana. El hidrógeno en su estado de desarrollo actual no es la mejor solución energética, pero permitiría la transición energética de los recursos naturales como los hidrocarburos, (que Alemania no tiene) a los recursos tecnológicos (que Alemania sí tiene) más el viento y el agua.

En este sentido, se espera que el hidrógeno verde permita utilizar la energía renovable que no se consume por la red eléctrica y que, por lo tanto,  no se puede almacenar. Es decir, sería muy útil como vector o portador de energía capaz de almacenar los excedentes de energía eléctrica proveniente de fuentes renovables, como la solar o eólica

Hoy en día, el hidrógeno se utiliza principalmente como insumo para la industria (producción de amoniaco, metanol, acero, alimentación y refinación de petróleo).También sirve como combustible para vehículos eléctricos que funcionan con celdas de combustible de hidrógeno (fuel cell) aunque su uso es muy acotado, fundamentalmente por los altos costos y la falta de infraestructura. Japón, con más de 100 estaciones de servicio de hidrógeno, y Alemania con 82, se encuentran a la vanguardia de esta tecnología. Según la Alianza de Hidrógeno de China, si cumplen los plazos establecidos, para fines de este año el gigante asiático debería tener un total de 66 instalaciones de reabastecimiento.

Hoy, alrededor del 95% del hidrógeno que se utiliza en el mundo se obtiene a partir del gas natural, a través del proceso de SMR que consiste en separar el hidrógeno haciendo reaccionar gas con vapor de agua en presencia de un catalizador. Esta forma de producir el hidrógeno da como resultado de 9 a 12 toneladas de CO2 por cada tonelada de hidrógeno producido, por lo que no parece que tenga sentido para ser el sustituto de los fósiles. La electrólisis es una alternativa que permite obtenerlo a partir del agua (H2O). Para esta reacción es necesario el aporte de una gran cantidad de electricidad, que permite descomponer el agua y obtener moléculas de oxígeno e hidrógeno.

Figura 1: Formas de producción del hidrógeno. El hidrógeno se puede producir a partir de fuentes renovables utilizando biogás, una forma gaseosa de metano obtenida de la biomasa, o mediante electrólisis, utilizando electricidad generada por fuentes renovables. Fuente: Shell

Según la Agencia Internacional de Energía Renovable (IRENA) actualmente menos del 1 % del hidrógeno se produce a partir de energías renovables. Su desarrollo a escala industrial se encuentra aún en etapa experimental y su futuro depende de solucionar problemas tecnológicos y encontrar formas de producción a precios competitivos. Sin embargo, IRENA asegura que recién entre 5 y 15 años el hidrógeno verde podría ser competitivo con el hidrógeno proveniente de energía fósil.

La estrategia nacional para el hidrógeno pone de manifiesto que Alemania ha decidido invertir fuertemente para desarrollar la producción y el uso del hidrógeno verde en su mercado interno. A su vez, dado que las capacidades de generación renovable en Alemania son limitadas, impulsará proyectos colaborativos con la Unión Europea y en otros continentes. En este sentido, consideran la construcción de instalaciones para aprovechar la energía de los parques eólicos en el Mar del Norte y el Mar Báltico, y el potencial para la energía solar y eólica del sur de Europa. Suponen que, en el futuro a mediano y largo plazo, será necesario importar hidrógeno para abastecer la creciente demanda.

Fuera de Europa, una de las instalaciones experimentales más avanzadas para producir hidrógeno de origen renovable a escala industrial se encuentra en Japón, que también apuesta a este gas como combustible del futuro. El Fukushima Hydrogen Energy Research Field (FH2R) fue presentado a principios de este año por la empresa Toshiba y utiliza un parque solar de 20MW, respaldada por energía renovable de la red, para ejecutar un electrolizador de 10MW. Su producción inicial está pensada para alimentar a los coches y autobuses de pila de hidrógeno que se utilizarán en los Juegos Olímpicos de Tokio, que buscan mostrar como “un punto de inflexión en la realización de una sociedad de hidrógeno”.

Figura: Campo de investigación de energía de hidrógeno de Fukushima (FH2R). Fuente: Toshiba

En Estados Unidos se espera para 2023 la construcción de una instalación para producir hidrógeno verde en Lancaster, California, que producirá unas 40 mil toneladas al año, capaz de alimentar diariamente a 2,2 mil vehículos eléctricos con celdas de combustible. Aseguran serán capaces de suministrar el combustible a un costo competitivo con la tecnología de producción de hidrógeno convencional.

El uso de hidrógeno como combustible alternativo a los tipos convencionales es uno de sus grandes atractivos. Los alemanes lo consideran sobre todo para el transporte pesado, cuando el uso directo de la electricidad no alcanza para sustituir a los combustibles fósiles. Por ejemplo, en la aviación y el transporte marítimo; o en el transporte terrestre para trenes, autobuses de larga distancia y camiones. Esto puede ser posible gracias al desarrollo tecnológico de las pilas de combustible. Una celda o pila de combustible es un dispositivo electroquímico capaz de transformar la energía química, en este caso proveniente del hidrógeno, en energía eléctrica, mediante su combinación con el oxígeno del aire

Varias empresas llevan adelante proyectos relacionados con los vehículos de hidrógeno, que a diferencia de los eléctricos tienen una autonomía y tiempo de carga similar a los motores diesel actuales, entre 3 y 5 minutos. Toyota, BMW, General Motors y Hyundai, entre otras, tienen planes para desarrollar autos, camiones y barcos en base a este combustible. La fabricante Nikola Motor ha llamado la atención recientemente gracias ala fuerte promoción de sus camionetas y camiones eléctricosen base a hidrógeno. Su CEO, Trevor Milton,busca seguir los pasos de Tesla y anunció que iniciará la construcción de su primera fábrica el próximo 23 de julio en Arizona (EEUU), y promete producir 35.000 camiones eléctricos al año.

Figura2: Camión con celda de combustible de hidrógeno. Fuente: Nikola

Figura3: De la creación al consumo de hidrógeno. Fuente: Nikola

La empresa francesa Alstomha aplicado el hidrógeno de manera experimental en el transporte ferroviario con pasajeros. Recientemente presentó en el norte de Alemania un tren impulsado por esta tecnología, que proporciona una alternativa libre de emisiones para líneas no electrificadas, donde hasta ahora circulan trenes diesel. Tienen 1000 km de autonomía y alcanzan 140 kilómetros por hora.

Alemania busca reducir su dependencia de los combustibles fósiles y liderar la transición energética europea. El desarrollo del hidrógeno verde como vector de energía es una de las claves para alcanzar los objetivos que se proponen para alcanzar la llamada neutralidad climática en 2050. Permitiría abastecer los dos flujos energéticos que posibilitan las sociedades modernas sin emisiones de carbono. Para lograr esto, los desafíos son enormes. Con la tecnología actual, la capacidad de la electrólisis a partir de generación renovables es limitada y no alcanza para abastecer las necesidades de toda la sociedad. Sin embargo, se podría volver a rescatar viejos proyectos que surgieron en la década de los 70 del siglo pasado, cuando después de las crisis petroleras Nixon y sus socios europeos deciden apostar al hidrógeno. Entonces, el físico italiano Cesare Marchetti que trabajaba en la Agencia Atómica de la Comunidad Europea, EURATOM, convenció al gobierno japonés de que el hidrógeno podría tener un futuro como vector de energía universal si se generara a partir de una fuente de energía de muy alta calidad, como los reactores nucleares de alta temperatura, y a través de la descomposición térmica del agua de mar en presencia de un catalizador adecuado. Japón continúa trabajando en silencio en esto. Pero los problemas de ingeniería nuclear y química son todavía de primer nivel, y los resultados no llegarán rápidamente. Pero al menos el concepto tiene una base física auténtica. Así, el futuro del hidrógeno verde parecería estar más allá de la electrolisis y el SMR ¿Alemania será capaz de volver a la energía nuclear para materializar su proyecto del hidrógeno?

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