Formas de producir hidrógeno

Cada vez es más evidente que el mundo sufre el cambio climático, con temperaturas cada vez más extremas, los desastres naturales cada vez más fuertes y frecuentes. Estos efectos negativos provienen de la contaminación producida por el hombre durante siglos, como por ejemplo, la emisión ininterrumpida de gases de efecto invernadero por el uso de combustibles fósiles.

Los Gases de Efecto Invernadero (GEI) son un grupo muy amplio, pero el más abundante es el dióxido de carbono (CO2) y se utiliza como factor de proporción de otros. Por ejemplo, una tonelada de metano tiene el mismo efecto en la atmósfera que aproximadamente 20 a 25 toneladas de dióxido de carbono, por lo que se dice que el efecto invernadero del metano es de 20 a 25 tCO2e (toneladas de dióxido de carbono equivalente) .

Preocupados por el cambio climático y sus efectos, los países de la Unión Europea y otras potencias mundiales, como Estados Unidos, Japón, China, Canadá y otros, proponen medidas y objetivos cada vez más atrevidos para la descarbonización masiva en la década de 2030 y con un enfoque de carbono cero. emisiones equivalentes para 2050.

Para lograr estos objetivos, es necesario entender la transición energética, que es un cambio de paradigma que involucra la generación, el consumo y la reutilización de la energía, más aún cuando se considera que la generación de energía en sus más variadas formas es responsable de gran parte de las emisiones de GEI. mundial.

Este concepto parte de la migración de matrices energéticas contaminantes, como los combustibles fósiles a base de carbón o petróleo, hacia fuentes de energía renovables, como la solar, hidroeléctrica, eólica y biomasa. Esta transición energética se extiende también a la eficiencia energética, la digitalización, el medio ambiente, la gestión de residuos y otros medios, de forma que se alcance el objetivo común de reducción de emisiones de GEI.

En este contexto, el hidrógeno (H2) producido a través de procesos de baja o nula emisión de CO2 surge como una fuente de energía alternativa capaz de descarbonizar sectores actualmente conocidos como productores intensivos de GEI, liberados en la quema de combustibles fósiles, como ocurre, por ejemplo, en el industrias del cemento y del acero.

Si bien el H2 no es una sustancia desconocida y ya es ampliamente utilizado en varios procesos, su uso como alternativa de descarbonización se basa en la posibilidad de obtener la molécula a través de energías renovables, así como su aprovechamiento, sin emitir gases contaminantes, ya que, por ejemplo, la combustión de hidrógeno libera sólo agua (H2O) y oxígeno (O2). Sin embargo, aún es necesario evolucionar en los procesos de producción, transporte y almacenamiento de H2, considerando tanto aspectos de seguridad como de factibilidad técnica y económica.

El proceso de producción de hidrógeno se puede dividir en tres grandes rutas: electrolítica, térmica y fotolítica, dividiéndose en siete procesos principales, aplicables a diversos recursos, tanto biomasa como fósiles. Los procesos que utilizan combustibles fósiles incluyen el reformado (oxidación parcial, reformado con vapor y oxidación parcial y reformado autotérmico) y la pirólisis de hidrocarburos.

Los procesos de producción a partir de recursos renovables se pueden clasificar según la materia prima: biomasa o agua. Los procesos que utilizan biomasa se pueden dividir en dos subcategorías: termoquímicos y biológicos. El primero implica pirólisis, gasificación, combustión y licuefacción de la biomasa, mientras que los principales procesos biológicos son la biofotólisis, la fermentación oscura y la fotofermentación. La segunda categoría de tecnologías renovables implica la producción de hidrógeno a partir del agua mediante procesos de electrólisis, pirólisis (termólisis) y fotólisis (descomposición fotoelectroquímica).

Dependiendo de la ruta de producción de hidrógeno, se clasifica en colores según sus características. Aún no existe un consenso respecto a esta categorización, sin embargo, algunas clasificaciones están siendo ampliamente difundidas por instituciones como IEA, EPE, Consejo de Hidrógeno, etc., que se pueden resumir de la siguiente manera:

fuente: Adaptado de Bases para la Consolidación de la Estrategia Brasileña de Hidrógeno (EPE, 2021)

Marrón/Negro Hidrógeno

Producido a partir de la gasificación de carbón mineral (lignito/carbón – hidrógeno pardo, antracita – hidrógeno negro) sin capturar, utilizar o secuestrar el dióxido de carbono resultante del proceso.

El lignito tiene en su composición suficiente materia volátil, esto hace que sea más fácil convertirlo en gas y productos derivados del petróleo que unos carbones que tienen mejor calidad. Sin embargo, su alta humedad y susceptibilidad a Combustión espontánea genera problemas en el transporte y almacenamiento, lo que dificulta su uso, por lo que las empresas que utilizan esta biomasa suelen estar ubicadas cerca de la zona de extracción de este material. Otro punto importante es que debido a la alta humedad y al bajo poder calorífico del lignito, las emisiones de dióxido de carbono suelen ser mucho más grandes por megavatio (energía potencial) generada en comparación con el carbón negro y los carbones “superiores”.

La antracita se crea por metamorfismo y se asocia con rocas metamórficas de la misma manera que el carbón bituminoso (turba compactada) se asocia con rocas sedimentarias. La antracita libera mucha energía por libra y se quema limpiamente con poco hollín. También se usa como filtro medio, lo que la convierte en una variedad de carbón más codiciada y, por lo tanto, de mayor valor. El carbón mineral fósil se formó a partir de los restos enterrados de plantas tropicales y subtropicales, especialmente durante los períodos Carbonífero y Pérmico.

El proceso de gasificación se produce cuando las fuentes de carbono, en este caso el carbón mineral, se exponen al aire, al oxígeno puro y al vapor de agua en un recipiente a presión a temperaturas y presiones muy altas (superiores a 1800 °C). Estas altas presiones y temperaturas hacen que se produzcan varias reacciones, generando una mezcla de gases denominada gas de síntesis, generalmente con monóxido de carbono (CO) e hidrógeno (H2) en mayor abundancia, además de cenizas y escorias en procesos que utilizan fuentes minerales. Es posible aplicar un proceso de reformado con vapor, como el que se describe en el hidrógeno gris a continuación, para convertir el CO, que es altamente dañino, en CO2.

hidrogeno gris

Este hidrógeno en cuestión se produce a partir del reformado de gas natural o carbón sin CCUS (captura, uso y secuestro de carbono). Esta forma de producción libera grandes cantidades de dióxido de carbono a la atmósfera, lo que contribuye al calentamiento global y al cambio climático.

El reformado de gas natural, compuesto principalmente de metano (CH4), comienza cuando el gas ingresa a un reactor y recibe una prefiltración para eliminar el azufre. Luego, el Metano, con la ayuda de un catalizador, reacciona con el vapor de agua dentro de un reactor a alta temperatura, formando hidrógeno (H2) y monóxido de carbono (CO). Luego, para mejorar la producción de hidrógeno en el proceso, se agrega otro catalizador donde el monóxido de carbono reacciona con el vapor y forma dióxido de carbono (CO2), realizando así el paso final de separación donde se separan los gases mezclados y se almacena el hidrógeno puro. Actualmente, esta es la forma más común de producción de hidrógeno en el mundo, pero no hay captura de los gases de efecto invernadero producidos en el proceso, aunque una parte de estos gases se reutilizan para el proceso de calentamiento.

Hidrógeno azul

El hidrógeno azul se produce reformando los combustibles fósiles, al igual que el gris, pero el proceso se sigue capturando y almacenando el carbono emitido en el proceso. Se le conoce como “gas descarbonizado” o “gas bajo en carbono” y algunos lo consideran una fuente de energía limpia. Existe controversia al respecto, ya que las tecnologías de captura y almacenamiento de carbono no siempre están libres de problemas ambientales.

Este hidrógeno específico se produce a partir de combustibles fósiles y gas natural (principalmente por el método de reformado), pero en este caso también ocurre el método CCUS (captura, uso y secuestro de carbono).

El proceso CCUS consiste en almacenar carbón mediante líquidos con catalizadores específicos que, tras calentarse, liberan el gas; o simplemente hay una captura de dióxido de carbono (CO2) directamente. En ambos casos, el CO2 se transporta a través de tuberías a bolsas de almacenamiento subterráneas ("enterradas") o se almacena para su transporte. Algunas industrias pueden hacer uso de este gas, como la industria de fertilizantes, la industria química y la industria del combustible de metanol.

hidrógeno rosa

El hidrógeno rosa se produce a partir de la electrólisis del agua utilizando energía nuclear. La electrólisis del agua es la descomposición química del agua (H₂O) generando los productos oxígeno (O₂) e hidrógeno (H₂), aplicando una corriente eléctrica (energía) al agua. En este caso específico, la corriente eléctrica proviene de la energía de los reactores nucleares.

Los reactores nucleares son centrales termoeléctricas, es decir, unidades que generan energía calentando agua, pero que utilizan la alta energía resultante de las reacciones que tienen lugar en los núcleos de los átomos como fuente de energía para este calentamiento. Hay dos formas de producir energía nuclear, a través de la fisión o la fusión nuclear. Hoy en día, solo la fisión nuclear es comercialmente aplicable, generalmente utilizando átomos de uranio radiactivo. Hay investigaciones avanzadas para hacer que la fusión nuclear sea comercialmente viable, y en 2022 fue la primera vez en la historia que fue posible lograr un balance energético positivo en este proceso. Este tipo de energía puede tener varias aplicaciones, principalmente la generación de energía eléctrica.

El uranio, por su parte, es un recurso finito, aunque existen grandes reservas de este material, por lo que el hidrógeno de esta fuente de energía no es renovable. A pesar del punto positivo de no producir gases contaminantes en la atmósfera, todavía existen grandes riesgos, tanto por los residuos radiactivos generados por el proceso de fisión, que es nocivo para la naturaleza, como por el peligro que conlleva una planta de este sector (p. riesgo de fugas). Si, en el futuro, la fusión nuclear se vuelve factible, estos problemas no existirán.

Hidrógeno turquesa

Producido a través de la pirólisis del metano del gas natural, que a su vez se utiliza como fuente de energía para el proceso térmico. Su residuo es carbón sólido (carbón), por lo que se considera una producción libre de emisiones.

El Hidrógeno Turquesa surge con la entrada de metano (CH4) en un reactor calentado a más de 1000ºC (celsius), que funciona mediante el uso de energía procedente de fuentes renovables. Posteriormente, dentro del reactor, se produce la pirólisis (división por calor) del metano, dando como resultado carbono sólido, o carbón, (C) e hidrógeno (H2). En el último paso, el hidrógeno en forma gaseosa se recoge en la parte superior del reactor y el segundo producto (carbón) sale por la parte inferior del reactor en forma sólida, haciendo más sencillo su almacenamiento. Algunos expertos llaman a este hidrógeno “hidrógeno bajo en carbono”.

hidrógeno amarillo

Producido por electrólisis del agua con la energía para llevar a cabo el proceso procedente de cualquier fuente disponible.

Al igual que el hidrógeno rosa, el hidrógeno amarillo también se produce a partir de la electrólisis del agua usando electricidad. El diferencial de esta coloración H2 es la fuente de energía utilizada en la electrólisis, o en realidad “las fuentes de energía”, después de todo, este hidrógeno se produce con una mezcla de energías de fuentes como las renovables y los combustibles fósiles, y no es posible para rastrear el origen de la energía utilizada. Esta energía proviene de las redes del Sistema Interconectado Nacional, el cual es abastecido por varios tipos de fuentes de energía. Por lo tanto, este hidrógeno no se considera limpio y renovable.

hidrógeno blanco

Este tipo de hidrógeno se encuentra en su forma natural, como gas libre, ya sea en capas de la corteza continental (bolsas de gas), en el fondo de la corteza oceánica, en gases volcánicos, en géiseres o en sistemas hidrotermales. El hidrógeno natural/blanco está presente en una amplia gama de formaciones rocosas y regiones geológicas. Surge de una variedad de fuentes naturales como el origen diagenético (oxidación de hierro) en cuencas sedimentarias, radiólisis (electrólisis natural) o actividad bacteriana, también de fuentes hiperalcalinas que contienen emisiones de dihidrógeno (2H2), entre otras formas.

El hidrógeno blanco generalmente se explota mediante métodos de perforación en tierra. Pero, actualmente, no hay muchas estrategias y planes para explotar este tipo de hidrógeno, ya que los otros “colores” son mucho más ventajosos y prácticos para ser adquiridos y utilizados.

Musgo de hidrógeno

El proceso de gasificación, en el caso de la biomasa, se desarrolla en 4 etapas: la primera es el secado, en el que la biomasa pierde el agua retenida; en la segunda etapa se utiliza la pirólisis para iniciar la descomposición de la biomasa y prepararla para la siguiente etapa; en la tercera etapa se produce la combustión de este producto; y en la cuarta etapa se produce la reducción de la materia, donde el carbono y los hidrocarburos de los combustibles utilizados reaccionan parcialmente con el oxígeno y generan monóxido de carbono (CO), que es altamente nocivo, e hidrógeno gaseoso (H2). Este proceso tiene lugar a temperaturas muy altas, desde 900°C.

Esta mezcla de gases, producida en el cuarto paso, puede convertirse posteriormente en nada más que hidrógeno y dióxido de carbono (CO2) mediante la adición de vapor y la reacción sobre un catalizador en un reactor de desplazamiento de agua y gas, lo que facilita el uso de la tecnología de gas. está incluido en el proceso.

hidrógeno verde

También se produce a partir de la electrólisis del agua mediante electricidad, así como el Rosa y el Amarillo. En este caso, la electricidad utilizada en el proceso deberá proceder necesariamente de fuentes renovables que no emitan GEI, principalmente hidráulica, eólica y solar. Es la alternativa de producción de hidrógeno más limpia, ya que está libre de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), y como tal ha recibido un fuerte apoyo de gobiernos y empresas de todo el mundo.

Por ello, se cree que el hidrógeno verde es uno de los “combustibles del futuro”, ya que podría ser utilizado en varias aplicaciones que hoy en día son difíciles de descarbonizar, como en la siderurgia, cemento, fertilizantes, vidrio, entre otras, como así como combustible alternativo para vehículos, aeronaves y barcos.

Todavía queda un largo camino por recorrer, ya que el hidrógeno verde actualmente representa un pequeño porcentaje del mercado mundial del hidrógeno y aún no es económicamente viable. Sin embargo, al igual que sucedió con la introducción de fuentes de energía renovables en la matriz energética, la tendencia es que el costo de producir hidrógeno verde se reduzca a medida que gana economías de escala y se convierte en un proceso más seguro y maduro desde el punto de vista de desde el punto de vista tecnológico y financiero.