Producción de hidrógeno verde sostenible

De entre los diversos métodos de producción de hidrógeno, el hidrógeno verde destaca por su sostenibilidad. La producción de hidrógeno verde se basa enteramente en fuentes de energía renovables, como la solar, la eólica y la hidroeléctrica, lo que lo convierte en un combustible neutro en carbono desde su producción hasta su combustión. Esto lo distingue de otros tipos de hidrógeno, incluido el hidrógeno gris, que se obtiene de combustibles fósiles.

La electrólisis, que utiliza electricidad para descomponer las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno, es fundamental para producir hidrógeno verde. No obstante, las limitaciones en la capacidad, la eficiencia y los costes presentan desafíos significativos para aumentar rápidamente su producción.

La electrólisis es un proceso electroquímico que implica reacciones y transporte iónico en un electrolizador. Los electrolizadores están equipados con dos electrodos, un ánodo y un cátodo, separados por un electrolito. Este electrolito, que puede ser una solución líquida en el caso de sistemas alcalinos o una membrana sólida en el caso de sistemas PEM, facilita el paso de iones mientras restringe el flujo de electrones. Su selección debe hacerse cuidadosamente, teniendo en cuenta factores como la conductividad iónica, la estabilidad química y la compatibilidad con los materiales del electrodo.

Al aplicar una corriente continua al agua líquida dentro del electrolizador, se establece una diferencia de potencial eléctrico entre el ánodo y el cátodo. En el ánodo, marcado por un potencial positivo, las moléculas de agua (H₂O) experimentan una reacción de oxidación, que da lugar una pérdida de electrones. Esto produce gas oxígeno (O₂), iones de hidrógeno cargados positivamente (protones, H+), y la liberación de electrones en el circuito externo. Este proceso se ilustra en los electrolizadores de membrana de intercambio de protones (PEM) de la siguiente manera:

2 H₂O(l) → O₂(g) + 4 H+(aq) + 4 e−

Los protones H+ migran a través del electrolito hacia el cátodo cargado negativamente, impulsados por el gradiente de potencial. El cátodo facilita una reacción de reducción en la que los protones aceptan electrones del circuito externo, neutralizando su carga y formando gas hidrógeno diatómico (H₂):

2 H+(aq) + 2 e− → H₂(g)

La reacción electrolítica general, una suma de la oxidación anódica y la reducción catódica, se representa como:

2 H₂O(l) → 2 H₂(g) + O₂(g)

La eficiencia de este proceso tiene implicaciones importantes para la viabilidad económica de la producción de hidrógeno verde. Diversos factores afectan a la eficiencia, entre ellos:

• La temperatura de funcionamiento, la presión y la pureza del agua dentro del sistema son factores cruciales, y deben medirse con precisión
• Se necesita un sobrepotencial para acelerar las reacciones a la velocidad deseada 
• Pérdidas óhmicas debido a la resistencia al transporte de iones dentro del electrolito 
• Restricciones en el transporte de masa que determinan la disponibilidad de los reactivos en las superficies de los electrodos 

Para optimizar estas variables es necesario seleccionar cuidadosamente los materiales, diseñar la arquitectura de los electrodos y medir y controlar todos los parámetros relevantes. De todas las tecnologías de electrolizadores disponibles en la actualidad, los electrolizadores PEM y alcalinos son los más avanzados tecnológicamente y los más utilizados.

Los electrolizadores PEM, que emplean una membrana de polímero sólido como electrolito, ofrecen varias ventajas sobre las tecnologías con electrolito líquido, como por ejemplo, una mayor eficiencia energética, tiempos de respuesta más rápidos ante las fluctuaciones en la entrada de energía y un diseño compacto. Estas características hacen que los electrolizadores PEM sean ideales para integrarse con fuentes de energías renovables fluctuantes, como la solar y la eólica, en las la producción de energía puede experimentar variaciones significativas. También son frecuentemente seleccionados por laboratorios y otras operaciones que requieren una alta pureza.

Los electrolizadores alcalinos, que utilizan un electrolito líquido, no son tan eficientes como las variantes PEM. Sin embargo, su coste es menor, tienen un ciclo de vida operativo más largo y pueden utilizar agua de menor pureza. Estos factores hacen que los electrolizadores alcalinos sean una opción atractiva para instalaciones de producción de hidrógeno verde a gran escala, en las que el coste y la capacidad de producción son factores determinantes. 

Otras tecnologías en desarrollo incluyen la electrólisis de alta temperatura o de óxido sólido y la membrana de intercambio de aniones. Cada una de estas tecnologías posee una dinámica competitiva particular, dependiendo de su aplicación específica en la carrera tecnológica de la producción de hidrógeno.

A pesar de su atractivo como combustible sostenible en toda la cadena de valor, la producción de hidrógeno verde presenta varios desafíos.

En primer lugar, la producción mediante electrólisis, en particular con electrolizadores PEM, es más cara que la producción de hidrógeno gris y azul mediante el reformado de metano por vapor o el reformado autotérmico. Además, el hidrógeno tiene una densidad energética menor que el gas natural y otros combustibles fósiles, por lo que el uso de hidrógeno como fuente de energía resulta más caro por unidad de energía que los combustibles fósiles.

La eficiencia del electrolizador en las pilas es elevada, de aproximadamente el 70 %, y con las nuevas tecnologías, como las celdas electrolizadoras de óxido sólido (SOEC), se espera que ofrezcan una eficiencia aún mayor. No obstante, al igual que cualquier sistema, la eficiencia general de la planta no solo depende de la tecnología utilizada, sino también del equilibrio adecuado entre los procesos de enfriamiento, secado, tratamiento y compresión del hidrógeno. Asimismo, el escalamiento viable de la electrólisis se ve limitado por la falta del suministro de energía procedente de las energías renovables, lo que requiere llevar a cabo inversiones adicionales en infraestructuras.

Además, el transporte y almacenamiento de hidrógeno resulta complejo desde el punto de vista logístico, ya que requiere una infraestructura especializada, como tuberías y depósitos diseñados específicamente para manejar este compuesto altamente inflamable. La infraestructura actual está diseñada principalmente para el gas natural y, dadas las propiedades únicas del hidrógeno, lamentablemente, no es posible adaptarla fácilmente. Debido a que los átomos de hidrógeno son los más pequeños de todos los elementos, el gas hidrógeno diatómico necesita tuberías, válvulas y juntas de estanquidad sofisticadas para evitar fugas. El hidrógeno también puede debilitar muchos metales al infiltrarse en la estructura interna del contenedor, reduciendo el umbral de tensión y acelerando el agrietamiento en materiales inadecuados.

Para abordar estas cuestiones se requiere una planificación estratégica, el respaldo financiero de los gobiernos nacionales y de las partes interesadas del sector privado, así como una innovación tecnológica continua. A pesar de los obstáculos económicos, la implementación de electrolizadores está comenzando a acelerarse. A finales de 2022, la capacidad mundial de electrolizadores para producir hidrógeno casi alcanzó los 11 GW. Se prevé que esta capacidad aumente significativamente, llegando a un rango estimado de 170 a 365 GW para el año 2030.

Además, se estima que la optimización de los electrolizadores reducirá los costes gracias a la eficiencia a gran escala, el aprendizaje y la mejora de la eficiencia en las próximas décadas. Esto incluye aumentar la captura de energía de fuentes renovables y recuperar las pérdidas de energía intrínsecas durante la operación. Las tecnologías relacionadas, como las pilas de combustible de hidrógeno, que actúan como electrolizadores inversos, se beneficiarán de los avances y el conocimiento adquiridos durante esta transición.

Más allá de la producción, también es esencial contar con una infraestructura específica para el hidrógeno. La creciente viabilidad del hidrógeno como fuente de energía alternativa depende del escalamiento de los mecanismos necesarios para su distribución y conversión en formatos de energía útiles.

Se prevé que la demanda mundial de hidrógeno aumente significativamente en los próximos 20 a 30 años, gracias a su versatilidad como portador de energía y su potencial para disminuir las emisiones de carbono en sectores en los que resulta difícil. En particular, las industrias del transporte y la generación de energía están preparadas para incorporar la energía del hidrógeno verde en sus carteras como una alternativa limpia a los combustibles fósiles.

En el sector del transporte, las pilas de combustible alimentadas con hidrógeno verde ofrecen una solución prometedora para el transporte comercial neutro en carbono, como, por ejemplo, en camiones, autobuses e incluso aviones. Esto es especialmente relevante para el transporte de larga distancia, donde los vehículos eléctricos alimentados por baterías deben hacer frente a limitaciones en cuanto a autonomía, generación de energía y peso.

En la industria, el hidrógeno puede reemplazar a los combustibles fósiles en procesos con un elevado consumo de energía, como la producción de acero, cemento y amoníaco, reduciendo así la huella de carbono. También se espera que el sector energético recurra cada vez más al hidrógeno verde para almacenar la energía generada por la creciente infraestructura de energías renovables. Esto ayudará a hacer frente los problemas de intermitencia asociados con la energía solar y eólica, sin los desafíos de densidad energética y degradación que presentan las baterías.

Incluso se está mezclando hidrógeno con el sistema de distribución de gas natural para reducir las emisiones de carbono a la atmósfera. Las estufas a gas, los sistemas de calefacción, las secadoras de ropa y otros electrodomésticos pueden quemar gas natural con una mezcla de hasta un 20 % de hidrógeno, que a menudo se ve limitada únicamente por los umbrales definidos por la propia infraestructura del gas. Los diseños más reciente de turbinas y motores de gas ahora pueden mezclar hasta un 50 % de hidrógeno con gas natural como fuente de combustible en centrales eléctricas, y algunas turbinas más pequeñas pueden funcionar con hasta un 100 % de hidrógeno sin necesidad de mezclar gas natural.

Con una actitud audaz, la multinacional española de servicios públicos Iberdrola está demostrando su confianza en la economía del hidrógeno con más de 60 proyectos de hidrógeno verde en desarrollo en todo el mundo. Estos proyectos abarcan diversos sectores, como por ejemplo, la producción de fertilizantes, la síntesis de amoníaco verde y el transporte pesado, y muestran la versatilidad del hidrógeno verde como una solución de energía limpia.

En particular, Iberdrola está construyendo la planta de hidrógeno verde más grande de Europa, que se dedicará principalmente a la producción de amoníaco para fertilizantes, lo que contribuirá a reducir el impacto ecológico de esta industria intensiva en carbono. Este proyecto histórico destaca el potencial del hidrógeno verde para descarbonizar incluso los sectores más complejos.

Las iniciativas gubernamentales también desempeñan un papel esencial en la aceleración de la adopción del hidrógeno verde. La iniciativa HyBlend del Departamento de Energía de los EE. UU (DOE). impulsa el hidrógeno verde al investigar métodos para mezclarlo de manera segura con gas natural y transportarlo a través de las tuberías existentes. Se enfoca en la compatibilidad de las tuberías, la seguridad de los materiales y la reducción de costes para facilitar así una distribución más asequible y escalable del hidrógeno verde.

El hidrógeno verde es un pilar fundamental en la revolución de la energía limpia y su relevancia crecerá significativamente a medida que la tecnología continúe avanzando. Sin embargo, para aprovechar su potencial es necesario abordar los desafíos que actualmente plantea su producción, almacenamiento, transporte e infraestructura. Esto requiere una mayor inversión en investigación y desarrollo, colaboración estratégica entre entidades públicas y privadas, y el respaldo de políticas gubernamentales.

A medida que se expanden las energías renovables y se mejora la infraestructura del hidrógeno, la eficiencia de la electrólisis aumenta y las políticas evolucionan. En consecuencia, los costes de producción del hidrógeno verde deberían reducirse, eliminando así una de las principales barreras para su uso generalizado. Es necesario que más empresas visionarias y de amplio alcance lideren el camino hacia una economía basada en el hidrógeno con proyectos ambiciosos y soluciones innovadoras que reduzcan las emisiones globales de carbono, contribuyendo así a un futuro más sostenible.