Ventajas y desventajas del hidrógeno verde

Escrito por Levi Naldi do Espirito Santo y Ana Beatriz Pereira Santos en marzo de 2023

El Hidrógeno Verde (H2V) es una de las principales alternativas emergentes con características sostenibles y potencial para sustituir a los combustibles fósiles en diversos sectores de la economía. Se produce a través de la electrólisis del agua, un proceso intensivo en energía eléctrica procedente de fuentes solares y eólicas. Por tanto, es posible obtener un combustible que no emite gases de efecto invernadero tanto en los procesos de producción como de uso, a diferencia de los combustibles fósiles, que son los responsables de gran parte de estas emisiones.

Green Hydrogen se puede utilizar de forma flexible en una variedad de aplicaciones, como en los sectores de transporte de vehículos ligeros y pesados; generación y almacenamiento de energía y en segmentos industriales.

Actualmente, el mundo enfrenta una creciente necesidad de fuentes de energía limpias y renovables para combatir el cambio climático y satisfacer la creciente demanda de energía. H2V tiene el potencial de desempeñar un papel importante en esta transición, y este momento se considera el más oportuno para invertir en su producción y uso.

Es importante mencionar que el proceso de producción de Hidrógeno Verde es diferente a los procesos que mayoritariamente ha realizado hasta ahora la industria para la producción de hidrógeno, ya que estos utilizan fuentes fósiles, como el gas natural y el carbón, que emiten gases de efecto invernadero. en su proceso de producción.

En este sentido, es importante comparar toda la cadena de valor del hidrógeno para tener una evaluación de las ventajas y desventajas de los diferentes tipos de tecnologías para la producción y uso de este vector energético.

Producción

La demanda mundial de hidrógeno alcanzó los 94 millones de toneladas (Mt) en 2021, mostrando un incremento del 5% respecto al año anterior, impulsado principalmente por la recuperación de la actividad en el sector químico y de refino. Además, la demanda de hidrógeno superó su máximo histórico de 91Mt alcanzado en 2019. Pero la mayor parte de esta demanda se cubrió con hidrógeno producido a partir de combustibles fósiles, con efectos nocivos para el medio ambiente (IEA, 2022).

Actualmente la producción de hidrógeno, mayoritariamente utilizado en los sectores químico y petroquímico, es responsable de más de 900Mt de emisiones de CO2 (ej. Hidrógeno Gris e Hidrógeno Negro). En comparación con el H2V, que tiene cero emisiones de CO₂ en su producción, se señala que uno de los primeros pasos sería plantear una alternativa para que estos sectores utilicen hidrógeno limpio.

La tecnología de producción H2V ha ido evolucionando, pero aún enfrenta la barrera de la madurez tecnológica y las ganancias de escala. En la Figura 1, se observa que, en comparación con otros procesos de producción, Green Hydrogen tiene una eficiencia similar a Grey Hydrogen [1][3].

Figura 1: Comparación de eficiencia entre tecnologías para la obtención de hidrógeno

fuente: Pérdida de integridad de las tecnologías del hidrógeno: una revisión crítica, 2021

La inversión en nuevos proyectos de I+D+i orientados a la evolución de la tecnología de producción de Hidrógeno Verde es una de las soluciones para superar la barrera de la madurez tecnológica. En este sentido, según datos de (IEA, 2022), la financiación pública de I+D en hidrógeno tuvo su mayor incremento anual en 2021, con un incremento del 35% respecto a 2020. Las tecnologías del hidrógeno recibieron cerca del 5% del presupuesto total de I+D para las tecnologías de energía limpia y los países europeos fueron los principales contribuyentes a este aumento.

Comparando los costos de producción, el hidrógeno verde todavía tiene un valor muy alto en comparación con el gris, por ejemplo. Además de los factores ya mencionados de madurez tecnológica y falta de ganancias de escala, que afectan la participación de CAPEX en la producción, este precio alto también está asociado con la disponibilidad de generación a partir de fuentes renovables y la aceptación por parte de las industrias. Sin embargo, como se muestra en la Figura 2, a medio plazo, la fiscalidad de las emisiones de CO₂ y los avances en la tecnología de producción, colocan a Green Hydrogen en una posición económicamente más ventajosa en términos de costo de producción.

Figura 2: Comparación de costos entre Green Hydrogen x Grey Hydrogen

fuente: Repensar la energía, 2022

Teniendo en cuenta la eficiencia de producción actual de los tipos de hidrógeno, podemos decir que Green todavía no es tan escalable como Gray. Pero la ventaja de contribuir enormemente a la descarbonización, considerando que ambos pueden ser utilizados para los mismos usos finales, denota la importancia de desarrollar tecnologías de Hidrógeno Verde lo más rápido posible. Enfatizando la importancia de esta nueva forma/fuente de energía para mitigar el cambio climático y sus efectos.

Almacenamiento/Transporte

El hidrógeno puede almacenarse y transportarse mediante tanques cargados por camiones, sin embargo, además de ser un procedimiento peligroso, por ser un producto altamente volátil e inflamable, tiene una eficiencia muy baja en comparación con el transporte de otras fuentes de energía. Esto sucede porque el hidrógeno tiene una densidad de energía volumétrica específica muy baja. Por ejemplo, para transportar la energía equivalente a 10 litros de diésel, presentes en un camión, se necesitan 11 camiones de 300 kg de H2 comprimido.

Por ello, entre otros factores, es interesante que exista producción de hidrógeno renovable cerca del lugar de uso. Sin embargo, es factible decir que sería difícil difundir este tipo de modelo para la mayoría de los usos finales. Así, se presentan algunas alternativas al almacenamiento en tanques, a saber: licuefacción, dilución en gas natural y adición de amoníaco.

La opción de almacenar y transportar hidrógeno en su forma líquida es poco eficiente porque es una técnica relativamente compleja y puede generar altos costos de instalación, además de requerir procesos adicionales para licuar el hidrógeno. Sin embargo, todavía es un campo de estudio que tiene potencial para mejoras significativas en las tecnologías utilizadas, lo que puede aumentar la eficiencia de esta forma de almacenamiento y reducir los costos del proceso.

Otra opción para el transporte de hidrógeno es por gasoductos, dentro de la cual la indicación es la construcción de una nueva y exclusiva estructura para H2, tal y como se está implantando, todavía en fase inicial, en EE.UU., Alemania, Holanda, Francia y Bélgica. Sin embargo, esta es una alternativa que se considera costosa, por lo que se sugiere viabilizar el transporte de hidrógeno reutilizando la red existente para el transporte de gas natural. En su fase inicial de estudio, se puede afirmar que la mezcla de hidrógeno con gas natural es segura, y la concentración de cada sustancia depende de la aplicación, considerándose segura una concentración del 10% de hidrógeno en el volumen total, como se muestra en Figura 3.

Figura 3. Tolerancia admisible de algunos componentes de la infraestructura gasista

Fuente: IRENA. Elaboración Gas Energía

La agregación de hidrógeno a amoníaco se vislumbra como otra opción viable, ya que es capaz de conservar grandes volúmenes de energía durante mucho tiempo, lo que convierte a esta forma de transporte en una interesante alternativa para largas distancias, además de la infraestructura consolidada ya existente para este tipo de transporte.

uso

Una de las principales aplicaciones del hidrógeno sería en el sector de la movilidad, donde se utiliza como combustible desde principios del siglo XIX en diversos medios de transporte, como automóviles, aeronaves y naves espaciales. Actualmente, las celdas de combustible de hidrógeno (FVEC) se pueden usar en automóviles, camiones y autobuses para impulsar motores eléctricos, lo que brinda una alternativa a los combustibles fósiles. Sin embargo, en el transporte por carretera, los vehículos eléctricos de batería siguen siendo más eficientes y desarrollados que los FCEV. Por otro lado, es posible notar el despliegue acelerado de los FCEV, principalmente en camiones pesados. Además, es una fuente de energía versátil y se puede utilizar con fines industriales y de almacenamiento de energía. [6]

En la industria una de las principales aplicaciones del hidrógeno sería en la producción de amoníaco, metanol y otros productos químicos. En este escenario, al utilizar hidrógeno verde, estas industrias pueden reducir significativamente sus emisiones de carbono. Este uso presenta desafíos técnicos relativamente bajos en comparación con la sustitución de combustibles, ya que no cambia el proceso que ya se lleva a cabo, solo la fuente de producción del hidrógeno utilizado.

Otro uso del hidrógeno verde es el almacenamiento de energía. Esto es posible porque el hidrógeno se puede comprimir y almacenar fácilmente y, por lo tanto, se puede utilizar para almacenar el exceso de energía renovable generada durante períodos de baja demanda. La energía almacenada se puede utilizar para complementar la producción de energía durante los períodos de alta demanda, lo que reduce la necesidad de fuentes de energía basadas en combustibles fósiles, que actualmente desempeñan este papel.

Ventajas del H2 Verde frente a otros tipos:

1. No emite gases de efecto invernadero durante su producción o uso, a diferencia de los combustibles fósiles.
2. Se puede producir a partir de fuentes de energía renovables, a través de la electrólisis del agua utilizando energía solar o eólica.
3. Se puede usar de manera flexible en una variedad de aplicaciones, incluida la transmisión, generación y almacenamiento de energía.
4. Puede ser utilizado en vehículos propulsados ​​por hidrógeno, como trenes, barcos y aviones, eliminando las emisiones de contaminantes atmosféricos en el transporte.
5. Puede usarse en celdas de combustible para generar electricidad y almacenarse para uso futuro.
6. Puede ser utilizado como materia prima para las industrias química, petroquímica y farmacéutica, cementera y siderúrgica, reemplazando los combustibles fósiles y reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero.

Desventajas del H2 Verde:

Las siguientes son desventajas del hidrógeno verde en comparación con otras fuentes de energía.

1. Todavía tiene un alto costo de producción en comparación con otras fuentes de energía, debido principalmente a la baja madurez tecnológica involucrada en su producción.
2. Para su uso como sustituto de los combustibles fósiles, como la gasolina o el gasóleo, la industria del automóvil necesitaría adaptarse al uso del hidrógeno, además de contar con otras opciones, como el coche eléctrico, que podrían utilizarse como alternativa.
3. La baja densidad del hidrógeno, ya sea en estado líquido o gaseoso, también da como resultado una baja densidad de energía. Evidenciando que el hidrógeno, en estado puro, no es un buen medio de transporte de energía.

Desafíos

Además de las desventajas enumeradas anteriormente, también existen desafíos en la implementación de Green Hydrogen que no están necesariamente vinculados a una comparación entre fuentes de energía, a saber:

1. La infraestructura actual para almacenar y distribuir hidrógeno es limitada.
2. La producción de Hidrógeno Verde requiere fuentes de energía eléctrica renovables, que aún están menos disponibles en algunas regiones del mundo.
3. Todavía existen desafíos técnicos para aumentar la eficiencia de la producción y el almacenamiento de hidrógeno.
4. La sociedad todavía teme el uso del hidrógeno debido a su asociación con bombas y explosiones nucleares.
5. La producción de hidrógeno verde aún no es lo suficientemente escalable para satisfacer la demanda energética mundial.

6 razones por las que ahora es el momento de invertir en hidrógeno verde:

1. La creciente necesidad de fuentes de energía limpias y renovables para combatir el cambio climático y satisfacer la creciente demanda mundial de energía.
2. El hidrógeno verde tiene el potencial de desempeñar un papel importante en la transición hacia una economía baja en carbono como sustituto de los combustibles fósiles.
3. La tecnología de producción de hidrógeno verde se ha desarrollado significativamente en los últimos años, con perspectivas de volverse más accesible y económicamente viable.
4. Creciente presión de los gobiernos y la sociedad para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y cumplir los objetivos climáticos.
5. La necesidad de fuentes de energía flexibles y escalables para satisfacer la demanda de energía, especialmente para aplicaciones de transporte y almacenamiento de energía.
6. Creciente demanda de soluciones de transporte limpias y eficientes debido a una mayor conciencia de la importancia de la sostenibilidad y la salud pública.

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[1] SANTOS, Ana y ESPÍRITO SANTO, Levi. Las formas de producción de hidrógeno. Mitzidi. 2023. Disponible en: https://mitsidi.com/as-formas-de-producao-de-hidrogenio/

[2] SCHROTENBOER, Albert H. et al. Un sistema de energía de hidrógeno verde: estrategias de control óptimas para el almacenamiento integrado de hidrógeno y la generación de energía con energía eólica. 2022. Disponible en: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032122006323

[3] USTOLÍN, Federico. Pérdida de integridad de las tecnologías de hidrógeno: una revisión crítica. International Journal of Hydrogen Energy, vl 45, 10.1016 junio de 2021. Disponible en: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319920321583?ref=pdf_download&fr=RR-2&rr=7b648398ff7ca5d3

[4] Repensar la energía. Disponible en: https://rethinkresearch.biz/product/rethink-energy/

[5] MORGAN, Harry. Por qué la dinámica del mercado reducirá el precio medio del hidrógeno verde a 1.50 $/kg para 2023. RECARGAR. 2022. Disponible en: https://www.rechargenews.com/energy-transition/opinion-why-market-dynamics-will-reduce-the-average-price-of-green-hydrogen-to-1-50-kg -por-2030/2-1-1292801

[6] Hidrógeno. IEA. 2022. Disponible en: https://www.iea.org/reports/hydrogen

[7] Hidrógeno. IEA. 2021. Disponible en: https://www.iea.org/fuels-and-technologies/hydrogen

[8] LACERDA, Naylil. Los desafíos del almacenamiento y transporte de hidrógeno a gran escala. Energía de gas. 2021. Disponible en https://gasenergy.com.br/os-desafios-da-armazenagem-e-transporte-de-hidrogenio-em-larga-escala/

[9] IBERDOLA. Hidrógeno verde: una alternativa para reducir emisiones y cuidar nuestro planeta. Disponible en: https://www.iberdrola.com/sustentabilidade/hidrogenio-verde