Las formas de producción de hidrógeno

Es cada vez más evidente que el mundo está sufriendo el cambio climático, con temperaturas cada vez más extremas y desastres naturales cada vez más graves y frecuentes. Estos efectos negativos provienen de la contaminación producida por la humanidad durante siglos, como 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 los demás. 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 el potencial de efecto invernadero del metano es de 20 a 25 tCO2e (toneladas de dióxido de carbono equivalente). para la descarbonización masiva para la década de 2030 y con el foco puesto en cero emisiones de carbono equivalente para 2050.

Para alcanzar estos objetivos, es necesario comprender la transición energética, que trata de un cambio de paradigma que involucra la generación, el consumo y la reutilización de la energía, sobre todo considerando que la generación de energía en sus más variadas formas es responsable de gran parte de las emisiones globales de GEI.

Este concepto parte de la protección de las matrices energéticas, como el carbón o los combustibles derivados del petróleo, por fuentes de energía renovables, como la solar, la hidroeléctrica, la eólica y la biomasa. Esta transición energética se extiende también a la eficiencia energética, la digitalización, el medio ambiente, la gestión de residuos y otros medios, de modo que se alcance el objetivo común de reducir las 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 energética alternativa capaz de descarbonizar a los llamados productores intensivos de GEI, liberados al quemar combustibles fósiles, como ocurre, por ejemplo, en las industrias del cemento y del acero.

Aunque el H2 no es una sustancia desconocida y ya ha sido ampliamente utilizada en diversos procesos, su uso como alternativa de descarbonización se basa en la posibilidad de obtener la molécula a través de energías renovables, así como su utilización, sin la emisión de gases contaminantes, por ejemplo, la combustión del hidrógeno libera únicamente Agua (H2O) y Oxígeno (O2). Sin embargo, todavía es necesario evolucionar los procesos de producción, transporte y almacenamiento de H2, considerando tanto aspectos de seguridad como previsiones técnicas y económicas.

El proceso de producción de hidrógeno se puede dividir en tres vías principales: electrolítica, térmica y fotolítica, dividiéndose en siete procesos principales, aportando 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 que utilizan 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 la 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 los procesos de electrólisis, pirólisis (termólisis) y fotólisis (descomposición fotoelectroquímica).

Fuente: Créditos fiscales para la inversión en almacenamiento de hidrógeno (Recursos para el futuro, 2020)

Dependiendo de la ruta de producción del hidrógeno, este se clasifica en núcleos según sus características. Aún no existe consenso respecto a esta categorización, sin embargo algunas clasificaciones están siendo ampliamente difundidas por instituciones como la IEA, EPE, Hydrogen Council, etc., y pueden resumirse de la siguiente manera:

Fuente: Adaptado de las Bases para la Consolidación de la Estrategia Brasileña de Hidrogenio (EPE, 2021)

Hidrógeno Marrón/Negro

Producido a partir de la gasificación de carbón mineral (lignito/hulla – hidrógeno marrón, antracita – hidrógeno negro) sin capturar, utilizar ni secuestrar dióxido de carbono del proceso.

El lignito tiene en su composición una gran cantidad de materia volátil, lo que facilita su conversión a gas y a productos derivados del petróleo que algunos carbones que tienen una mejor calidad. Sin embargo, su alta humedad y susceptibilidad a la combustión espontánea ocasionan problemas de transporte y almacenamiento, lo que dificulta su aprovechamiento, por lo que las empresas que utilizan esta biomasa generalmente se ubican cerca de la zona de extracción de este material. El punto importante es que debido a la alta humedad y al bajo poder calorífico del lignito, las emisiones de dióxido de carbono son generalmente mucho más altas por megavatio (energía potencial) generado en comparación con el carbón negro y los carbones "superiores".

La antracita se crea por metamorfismo y está asociada con rocas metamórficas, de la misma manera que el carbón bituminoso (turba compactada) está asociado con rocas sedimentarias. La antracita libera mucha energía por kilo y se quema limpiamente con poco hollín, utilizándose también como medio filtrante, lo que la convierte en una variedad de carbón más buscada y por tanto más valiosa. El carbón fósil se formó a partir de restos enterrados de plantas tropicales y subtropicales, especialmente durante los períodos Carbonífero y Pérmico.

El proceso de gasificación ocurre cuando las fuentes de carbono, en el caso del carbón, se exponen al aire, o al oxígeno puro, y al vapor de agua en un recipiente a presión a temperaturas muy altas (más de 1800 °C) y presión. Estas altas presiones y temperaturas provocan que se produzcan varias reacciones, generándose 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 siguiente hidrógeno gris, para convertir el altamente dañino CO en CO2.

Hidrógeno gris

Este hidrógeno en cuestión se produce a partir del reformado de gas natural o carbón sin CCUS (captura, utilización 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 del gas natural, compuesto principalmente de metano (CH4), comienza con el gas entrando en un reactor y recibiendo una prefiltración para eliminar el fuego. Luego, el metano, con la ayuda de un descubrimiento, 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 descubrimiento donde el monóxido de carbono reacciona con el vapor y forma dióxido de carbono (CO2), haciendo así más efectiva la etapa 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 algunos de estos gases se reutilizan para el proceso de calentamiento. 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 exentas de problemas ambientales.

Esta protección específica se produce a partir de combustibles fósiles y gas natural (generalmente por el método de reformado), pero en este caso también se da el método CCUS (captura, utilización y secuestro de carbono).

El proceso CCUS consiste en almacenar carbono a través de líquidos con conexiones específicas 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 hasta lugares de almacenamiento enterrados (“enterrados”) o se almacena para su transporte. Algunas industrias utilizan este gas, como la industria de fertilizantes, la industria química y la industria del metanol combustible.

Hidrógeno rosa

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

Los reactores nucleares son termoeléctricos, es decir, unidades que generan energía a partir del calentamiento del agua, pero que utilizan la alta energía resultante de las reacciones que llegan a nuestros núcleos atómicos como fuente de energía para este calentamiento. Hay dos formas de producir energía nuclear, mediante fisión nuclear o fusión nuclear. Hoy en día sólo la fisión nuclear es aplicable comercialmente, generalmente utilizando átomos de uranio radiactivo. Hay investigaciones para hacer comercialmente viable la fusión nuclear, y 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 diversas aplicaciones, principalmente en la generación de energía eléctrica.

El uranio, a su vez, es un recurso finito, aunque existen grandes reservas de este material, lo que significa que el hidrógeno procedente de esta fuente energética no es renovable. A pesar del punto positivo de no producir gases que contaminen la atmósfera, todavía existen grandes riesgos, tanto por los residuos radiactivos generados por el proceso de fisión, que son perjudiciales para la naturaleza, como por el peligro que trae consigo una planta de este sector (por ejemplo, riesgo de fugas). Si la fusión nuclear se vuelve viable en el futuro, estos problemas no existirán.

Hidrógeno turquesa

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

El hidrógeno turquesa se crea cuando el metano (CH4) entra en un reactor calentado a más de 1000ºC (centígrados), que funciona utilizando energía procedente de fuentes renovables. Más adelante, dentro del reactor, se produce la pirólisis (división por calor) del metano, dando lugar al carbono sólido, o carbón, (C) y al hidrógeno (H2). En la última etapa, el hidrógeno en forma gaseosa se recoge en la parte superior del reactor y el segundo producto (Carbón) sale por el fondo del reactor en forma sólida, haciendo más sencillo su almacenamiento. Algunos expertos llaman a este hidrógeno "hidrógeno bajo en carbono".

Hidrógeno Amarillo

Se produce por electrólisis del agua, y la energía para llevar a cabo el proceso proviene de cualquier fuente disponible.

Al igual que el Hidrógeno Rosa, el Hidrógeno Amarillo también se produce a partir de la electrólisis del agua utilizando energía eléctrica. La diferencia de este color del 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 energía proveniente de fuentes como renovables y combustibles fósiles, por lo que es imposible rastrear el origen de la energía utilizada. Esta energía proviene de las redes del Sistema Interconectado Nacional, las cuales se abastecen de diferentes tipos de fuentes de energía. Por lo tanto, este tipo de hidrógeno no se considera limpio ni 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. Proviene de diversas fuentes naturales, como el origen diagenético (oxidación del hierro) en cuencas sedimentarias, la radiólisis (electrólisis natural) o la actividad bacteriana, así como de fuentes hiperalcalinas que contienen emisiones de dihidrógeno (2H2), entre otras formas. Sin embargo, actualmente no existen muchas estrategias y planes para explorar este tipo de hidrógeno, pues los otros “núcleos” son mucho más ventajosos y prácticos de adquirir y utilizar.

Hidrógeno de musgo

El proceso de gasificación, en el caso de la biomasa, ocurre en 4 etapas: la primera es seca, en la que la biomasa pierde el agua retenida; en la segunda etapa se utiliza la pirólisis para iniciar la instalación de la biomasa y prepararla para la siguiente etapa; En la tercera etapa se quema este producto; y en la cuarta etapa se reduce el material 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, y gas hidrógeno (H2). Este proceso ocurre a temperaturas muy altas, a partir de los 900 °C.

Esta mezcla de gases, producida en la cuarta etapa, puede convertirse posteriormente en nada más que hidrógeno y dióxido de carbono (CO2) añadiendo vapor y reaccionando sobre uno que se encuentra en un reactor de colocación de gas de agua, lo que facilita el uso de la tecnología CCUS, si se incluye en el proceso.

Hidrógeno Verde

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

Aún queda un largo camino por recorrer, ya que el hidrógeno verde representa actualmente un pequeño porcentaje del mercado mundial del hidrógeno y aún no es económicamente viable. Sin embargo, como ejemplo de lo que ha ocurrido con la introducción de fuentes de energía renovables en las matrices energéticas, la tendencia es que el coste de producción del hidrógeno verde disminuya a medida que gane economías de escala y se convierta en un proceso más seguro y maduro desde el punto de vista tecnológico y financiero.