Hidrógeno, ¿sí o no? Guía para entender su potencial energético

El debate sobre el futuro del hidrógeno en la escena de la energía es importante y relevante para nuestro futuro. Hay muchas voces a favor y no pocas en contra. ¿Realmente tiene sentido apostar por este vector energético.

El hidrógeno es un gas que se utiliza como vector energético para el almacenamiento, transformación y transporte de energía. También se utiliza para producir fertilizantes y en los procesos de refinerías.

Y, a pesar de que su aplicación como alternativa energética a los combustibles fósiles ha tenido y sigue teniendo altibajos, en la actualidad es considerado clave en la transición energética como sistema de almacenamiento para acompañar el despliegue masivo de las energías renovables.

Es la opinión de muchos estamentos y científicos, que están invirtiendo grandes cantidades de dinero y esfuerzo en el hidrógeno. Se respaldan en informes como el de la Agencia Internacional de la Energía (IEA), que afirma que el hidrógeno es versátil y puede ayudar a abordar diferentes desafíos en el campo de la energía.

Para cumplir algunos de los ambiciosos objetivos que se han anunciado, se requiere un enorme esfuerzo para acercarse siquiera a estos objetivos

John Kilner

Sin embargo, el hidrógeno presenta varios desafíos importantes, como la producción costosa de baja huella de carbono o el lento despliegue de la infraestructura necesaria.

También la dependencia de la producción actual del carbón y el gas natural, o las regulaciones actuales que limitan el desarrollo de una industria del hidrógeno limpia.

Así pues, ¿hidrógeno sí o no? Vamos a intentar ofrecer una imagen global del papel que puede jugar este vector energético en el futuro del planeta.

Los colores del hidrógeno

El hidrógeno es un producto industrial versátil que se utiliza en la producción de productos químicos, acero, vidrio, fertilizantes y sistemas de transporte limpios, así como como energía y calor combinados para uso doméstico y como medio de almacenamiento de energía en la red eléctrica.

Pero, para cumplir con los objetivos de emisiones de carbono en todas estas aplicaciones, se requiere un método de producción de hidrógeno sin emisiones.

Y es que, para obtener hidrógeno libre, es necesario aportar energía para dividir moléculas como el agua (H2O) y los hidrocarburos, especialmente el metano (CH4).

El hidrógeno, que no se encuentra de manera fácilmente accesible en la Tierra, se considera un vector energético en lugar de una fuente de energía primaria. Esto es debido a que la energía utilizada para separarlo puede recuperarse mediante la recombinación del hidrógeno con el oxígeno para producir agua.

La producción convencional de hidrógeno se clasifica en cinco «colores» dependiendo de la cantidad de carbono liberado en el proceso de producción:

• El hidrógeno «gris» se produce mediante el reformado al vapor del metano y emite dióxido de carbono a la atmósfera.
• El hidrógeno «azul» se produce mediante el mismo proceso, pero con la captura y almacenamiento de carbono (CCS).
• El hidrógeno «rosa» se obtiene mediante la electrólisis del agua cuando la electricidad procede de la energía nuclear.
• El hidrógeno «negro/marrón» se obtiene a partir del carbón mediante la gasificación, pero es un proceso muy contaminante ya que se libera CO2 a la atmósfera.
• El hidrógeno «verde» es aquel que se produce sin emisiones de carbono, utilizando energías renovables durante el proceso.

Y este último es el verdadero objetivo a alcanzar, siendo la electrólisis el principal método para conseguirlo.

La electrólisis

La electrólisis es un proceso que utiliza electricidad para producir hidrógeno y oxígeno a partir de agua.

Existen tres tipos principales de electrólisis: electrólisis de agua alcalina (AWE), electrólisis de agua con membrana de polímero (PEMWE) y celda de electrólisis de óxido sólido de alta temperatura (SOEC).

La AWE es la tecnología más madura y se ha demostrado en unidades de hasta 100 MW, pero tiene problemas de eficiencia y dinámica de arranque y parada que dificultan su acoplamiento a las fuentes de energía renovables.

La PEMWE ha avanzado recientemente, con ITM Power como el mayor fabricante mundial, y tiene previsto instalar una unidad de 20 MW en el parque eólico Whitelee de Scottish Power Renewables.

Sin embargo, la PEMWE utiliza iridio y platino como catalizadores, elementos raros que podrían limitar la adopción a gran escala de los teravatios necesarios para cumplir los objetivos de reducción de carbono.

La SOEC, menos desarrollada, funciona a altas temperaturas (entre 600 y 850 ºC) y es intrínsecamente más eficiente que la electrólisis de agua. También puede producir combustibles líquidos para el transporte a partir de calor residual de proceso y utilizar la co-electrólisis de dióxido de carbono y agua para producir syngas, una mezcla de hidrógeno y monóxido de carbono.

«Está claro que las tres tecnologías de electrólisis tienen un papel que desempeñar en cualquier sistema energético descarbonizado», asegura John Kilner, asesor científico de CIC energyGUNE.

«Sin embargo, si queremos cumplir algunos de los ambiciosos objetivos que se han anunciado, se requiere un enorme esfuerzo para acercarse siquiera a estos objetivos», reconoce.

El propio Kilner, exjefe del Departamento de Materiales y ex decano de la Real Escuela de Minas del Imperial College de Londres, precisa que se ha calculado que se necesitarían 1600 gigavatios de electrólisis para descarbonizar el transporte pesado en Europa, lo que se convierte en muchos teravatios si se extrapola a todo el mundo.

Según el Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE), el coste de producción del hidrógeno debe ser inferior a 2 dólares por kilogramo (1,87 euros en el momento de escribir este artículo) para ser competitivo en cualquiera de sus aplicaciones.

Sin embargo, según el informe anteriormente mencionado de la Agencia Internacional de Energía de 2019, ningún país o región había alcanzado esta cifra, que se encuentra cerca de los 3 dólares.

Aunque aún es un objetivo lejano, se espera que en los próximos años se reduzca debido a la disminución del coste de las energías renovables utilizadas para producir hidrógeno, lo que también reduciría el coste operativo de estos procesos.

La pila de combustible

La pila de combustible fue descubierta por Christian Friedrich Schoenbein en 1839 y desarrollada por Sir William Grove en 1842. Este tipo de tecnología produce electricidad a través de la oxidación de un combustible como el hidrógeno.

Estos dispositivos consisten en dos cámaras con electrodos separadas por un electrolito, a través del cual un ion móvil se transporta. Los electrones no pueden atravesar el electrolito y deben pasar por el circuito externo, generando electricidad.

Las pilas de combustible tienen varias ventajas: son eficientes y silenciosas porque no tienen piezas móviles, no queman el combustible en una llama como un motor de combustión interna y no producen contaminantes atmosféricos ni partículas peligrosas para la salud.

Sin embargo, para obtener una cantidad significativa de energía, es necesario conectar varias pilas de combustible en un conjunto. Además, cada pila requiere un «sistema de soporte» que proporcione gas y aire y mantenga la pila refrigerada, lo que aumenta el peso y el coste final.

El desarrollo de las pilas de combustible ha sido un proceso largo y a veces inconsistente.

Aunque son una opción más cara que los motores de combustión interna, su capacidad para generar energía limpia y eficiente las ha llevado a la vanguardia en la lucha contra el cambio climático y la contaminación atmosférica.

En cualquier caso, es necesaria una mayor producción y adopción para aprovechar sus ventajas y contribuir a la descarbonización a gran escala.

Las infraestructuras

El hidrógeno necesita ser almacenado y distribuido para su uso, pero esto plantea desafíos debido a su baja densidad y la necesidad de altas presiones y bajas temperaturas.

Esto requiere infraestructuras y redes costosas con gran capacidad. Iniciativas como la «European Hydrogen Backbone» están trabajando en el desarrollo de una red de gasoductos que conecten centros de suministro y demanda de hidrógeno.

Según las previsiones, estas redes podrían alcanzar 6800 km en 2030 y 23.000 km en 2040, ayudando a contrarrestar el alto coste de otros métodos de transporte.

Aunque la creación de redes de gasoductos de hidrógeno puede reducir el coste de transporte del hidrógeno, la falta de infraestructuras y la alta inversión necesaria en su construcción son obstáculos importantes.

Para abordar estos problemas, algunas empresas están explorando modelos alternativos de repostaje, como la combinación de la generación de hidrógeno con el repostaje posterior en una sola estación.

Un ejemplo de esto es Standard Hydrogen, que ha colaborado con National Grid para crear instalaciones de repostaje que incluyen una celda estacionaria generadora de energía.

Esto permite a National Grid utilizar la energía generada en momentos de alta demanda y rentabilizar la inversión en los primeros años de vida de la estación, al mismo tiempo que se satisface la potencial demanda de vehículos impulsados por hidrógeno.

Sin embargo, el éxito de estos esfuerzos depende del desarrollo de economías de escala que garanticen volumen, eficiencia y rentabilidad en la construcción de estas infraestructuras.

Cómo almacenar hidrógeno

El hidrógeno se puede utilizar como vector energético y se puede almacenar como gas o líquido. Es por eso que existen diferentes opciones de almacenamiento de energía basadas en el hidrógeno.

El hidrógeno y otros vectores de hidrógeno, como el amoníaco, permiten almacenar grandes cantidades de energía durante largos períodos de tiempo. Además, el hidrógeno tiene un alto potencial para almacenar energía durante mucho tiempo con bajas pérdidas.

Como contrapartida, el hidrógeno gaseoso tiene una baja densidad energética en comparación con los combustibles fósiles, lo que requiere unidades de almacenamiento muy grandes para almacenar cantidades suficientes.

Hay varias estrategias para superar este inconveniente, como almacenar el hidrógeno a alta presión, a muy baja temperatura o en sustancias que contengan muchas moléculas de hidrógeno. 

En definitiva, la opción más conveniente dependerá del uso que se le dé al hidrógeno, ya sea estacionario o móvil.

Para aplicaciones estacionarias, como la generación de energía, el almacenamiento in situ en el punto de producción o uso es común. Para aplicaciones móviles, como el transporte, el almacenamiento de hidrógeno debe tener en cuenta el peso y el volumen, además de la seguridad.

Además del hidrógeno gaseoso y criogénico, hay otras formas de almacenar hidrógeno que se están investigando.

Líquidos

El almacenamiento de hidrógeno mediante líquidos es una forma potencialmente atractiva para su uso en el transporte, ya que permite almacenar grandes cantidades de energía en un volumen relativamente pequeño.

Los líquidos que contienen hidrógeno se pueden dividir en dos categorías: líquidos de base orgánica y líquidos de base no orgánica.

Los líquidos orgánicos que contienen hidrógeno son esencialmente hidrocarburos, como la gasolina o el gasóleo. Sin embargo, si se busca un vector energético de hidrógeno verde, es decir, que no tenga un impacto negativo en el medio ambiente, es necesario que los líquidos de hidrógeno no sean de origen fósil.

Además de los hidrocarburos, otros líquidos que contienen hidrógeno son el metanol, el etanol, el isopropanol o el ácido fórmico.

Estos líquidos pueden prepararse mediante la captura de CO2 e hidrógeno verde utilizando fuentes renovables, lo que los convierte en opciones ecológicas para el almacenamiento de hidrógeno.

Son líquidos a temperatura ambiente, tienen baja toxicidad y son fáciles de almacenar, lo que los hace muy adecuados para el sector del transporte sin necesidad de grandes cambios en la infraestructura actual para su almacenamiento, distribución y uso final.

Los combustibles líquidos que contienen hidrógeno, como el metanol, el etanol, el isopropanol o el ácido fórmico, pueden utilizarse en aparatos electrónicos, en el respaldo de redes eléctricas o en el transporte.

Por ejemplo, las pilas de combustible de metanol directo EFOY Pro y las pilas de combustible SIQENS Ecoport son dispositivos que producen energía para una amplia gama de aplicaciones industriales tanto fijas como móviles.

No obstante, el amoníaco es considerado la opción más viable para el transporte de larga distancia en vehículos como trenes y barcos. Un ejemplo de esto es el proyecto ShipFC, apoyado por la Unión Europea, que tiene como meta desarrollar, implementar y probar barcos de larga distancia impulsados por pilas de combustible de amoníaco.

Polvo energético

Los hidruros metálicos son compuestos formados por hidrógeno y un metal, que se utilizan como forma de almacenamiento de hidrógeno a bajas presiones en un sólido.

La ventaja de estos sistemas de almacenamiento es que las moléculas de hidrógeno están unidas químicamente dentro de la estructura del compuesto metálico, lo que permite su almacenamiento a presiones mucho más bajas que en otros sistemas, que suelen funcionar a entre 10 y 40 bares.

Además, el tamaño de los sistemas de almacenamiento de hidruros metálicos se puede adaptar a la aplicación específica que se necesite. Estos sistemas se han utilizado principalmente en aplicaciones de transporte, como trenes y barcos.

El principal inconveniente de este método es que los hidruros metálicos tienen una capacidad de almacenamiento baja en comparación con otros sistemas (1,5 kg de H2 o 50 kWh por cada 100 kg de material compuesto de hidruros metálicos) y requieren un proceso de activación para liberar el hidrógeno de la estructura.

Además, deben almacenarse bajo nitrógeno o argón y protegerse del agua, y su uso en pilas de combustible requiere un paso de calentamiento para la desorción (entre 50 y 100 ºC).

Estos inconvenientes los hacen menos adecuados para la aplicación en automoción, especialmente durante la aceleración y desaceleración. Eso sí, están ocupando su espacio en el almacenamiento estacionario y la electrónica portátil.

Es un hecho que los métodos de almacenamiento de hidrógeno no cumplen actualmente con los objetivos de costes establecidos por el DOE, pero su viabilidad económica puede mejorar a través del uso de nuevos materiales y procesos de síntesis más eficientes.

Es importante continuar investigando en diferentes opciones para encontrar el mejor método de almacenamiento de hidrógeno para cada aplicación, ya que esto será clave para lograr sociedades descarbonizadas con el hidrógeno formando parte de ellas.

Baterías vs. Hidrógeno

En el contexto de la transición energética, es cada vez más evidente que la utilización de tecnologías como las baterías y el hidrógeno deben plantearse como soluciones complementarias y sinérgicas, y no como alternativas en competencia.

Esto se debe a sus propiedades y características únicas, que hacen que ambas tecnologías sean adecuadas para distintas aplicaciones.

En este sentido, las estrategias de desarrollo tecnológico que están siendo promovidas por entidades como la Union Europea o la IEA muestran un enfoque en el despliegue coordinado y conjunto de ambas tecnologías.

Las tecnologías de baterías y electrolización del hidrógeno verde comparten principios electroquímicos y elementos similares, lo que permite aprovechar el conocimiento y la experiencia generada en una tecnología para beneficio de la otra.

Además, la industria de las baterías ha alcanzado un mayor grado de madurez, lo que puede utilizarse para reducir los plazos y costes de la escalada de la producción de electrolizadores a gran escala.

Otro factor a tener en cuenta es que los esfuerzos actuales en el sector del hidrógeno se centran en lograr su producción sostenible y sin emisiones a través de la electrólisis del agua con energías renovables, lo que refuerza aún más la importancia de esta tecnología en la transición energética.

Pero más allá de estos principios comunes de los que se pueden beneficiar tanto las baterías como el hidrógeno, existen otra serie de elementos que justifican la necesidad de plantear la complementariedad entre sí de estas soluciones.

Ya lo hemos dicho: los esfuerzos de la industria del hidrógeno se están centrando actualmente en lograr impulsar la obtención de éste a través de la electrólisis del agua basada en energías renovables.

Esto permitirá generar un proceso de producción sostenible y sin emisiones, lo que reforzará aún más la apuesta por esta tecnología de cara a la transición energética. Sin embargo, estas fuentes de energía son intermitentes, es decir, no siempre están disponibles de manera constante.

Por lo tanto, uno de los desafíos de utilizar el hidrógeno verde es establecer un sistema de producción estable que garantice su obtención sin depender de las condiciones climatológicas del momento.

Es aquí donde entran en juego las baterías. Gracias a su capacidad de almacenamiento, las baterías pueden eliminar la incertidumbre y la dependencia de la disponibilidad de energías renovables.

Así, los excedentes de energía pueden ser almacenados para momentos en los que se produzca un déficit, evitando pérdidas o derroches de energía y logrando una mayor eficiencia en su uso. Un ejemplo de este enfoque es la planta electrolizadora de Iberdrola en Puertollano.

De igual modo, se espera que el hidrógeno verde sea una solución que complemente y satisfaga las necesidades que las baterías, debido a su naturaleza, no pueden cubrir. En particular, se espera que el hidrógeno tenga una mayor densidad de energía, lo que lo hace más adecuado para ciertas aplicaciones.

Es importante tener en cuenta que las baterías de litio-ion actuales tienen una densidad de energía de aproximadamente 250 Wh/kg, mientras que se espera que las futuras generaciones de baterías de estado sólido aumenten esta cifra hasta aproximadamente 400-450 Wh/kg.

Aunque las baterías tienen una densidad de energía suficientemente alta para satisfacer las necesidades de la pequeña electromovilidad (como coches eléctricos), no son lo suficientemente potentes para el transporte pesado (como camiones, trenes, barcos y aviones).

El hidrógeno, por otro lado, tiene una densidad de energía cercana a 2500 Wh/kg en estado gaseoso, lo que lo hace adecuado para este tipo de vehículos. Además, el transporte pesado tiene menos limitaciones de espacio o capacidad para usar el hidrógeno como combustible (a través de las pilas de combustible).

El hidrógeno también tiene un gran potencial como vector energético para aplicaciones estacionarias debido a su capacidad de almacenamiento a gran escala.

Se espera que en el futuro, el hidrógeno y las baterías se utilicen juntos en aplicaciones de red de forma combinada para un efectivo almacenamiento y gestión de la demanda, apoyo de red o balance en la generación según las necesidades de cada momento.

Conclusiones

Un futuro en el que la combinación entre hidrógeno y baterías sea una realidad requiere abordar los desafíos que presentan ambas tecnologías.

Uno de los mayores obstáculos para el hidrógeno es su coste de producción, que debe ser competitivo con respecto a las alternativas actuales. El uso de baterías puede facilitar la industrialización y el coste de obtención del hidrógeno.

Además, el almacenamiento del hidrógeno presenta desafíos en términos de durabilidad, recarga y ciclo de vida, que se están abordando para optimizar su eficiencia.

Por su parte, la industria de las baterías se está centrando en desarrollar nuevas generaciones tecnológicas que permitan satisfacer las necesidades de industrias como el vehículo eléctrico, las energías renovables o la electrónica de consumo.

Esto incluye aumentar las densidades energéticas de los dispositivos, algo que se espera que las baterías de estado sólido puedan lograr, junto con otros avances en las composiciones de cátodos y ánodos y la configuración de las celdas.

La respuesta a estos desafíos determinará la evolución del hidrógeno y las baterías y, a su vez, la consolidación del futuro modelo energético que se pretende alcanzar.

Por lo tanto, es importante poner en marcha planteamientos tecnológicos que incluyan el desarrollo de estas soluciones de manera combinada, aprovechando las sinergias y posibilidades que se ofrecen mutuamente para acelerar su madurez.

Esto es un primer paso para establecer a largo plazo un modelo energético flexible e híbrido que aproveche lo mejor de ambos mundos.