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Usos del hidrógeno como fuente de energía
Los usos del hidrógeno, y en particular del hidrógeno verde, se están considerando como unos de los impulsores clave de la transición energética. Sus aplicaciones son tan diversas que abarcan desde el uso del hidrógeno como combustible en vehículos a pequeña escala hasta escenarios de adopción más amplios como mecanismo de flexibilidad energética.
Si este tema te fascina, te animamos a consultar nuestros desafíos recientes donde hemos abordado algunos proyectos de innovación para generación renovable y almacenamiento energético.
El hidrógeno y las oportunidades que nos ofrece tendrán cada vez más importancia en la transición energética, eliminando progresivamente algunos combustibles fósiles, especialmente el gas natural.
La dificultad para que el hidrógeno despegara en el pasado se explica por su alto coste. La electrólisis del agua requería más energía que la almacenada en el producto final y esto lo hacía económicamente inviable. Sólo hacía falta que el coste de la generación de hidrógeno se redujera para hacerlo realmente competitivo y escalable.
A día de hoy el precio de la electricidad aún representa alrededor del 75% del coste del hidrógeno verde (H2) generado con electrolizadores [1], que depende de factores como la eficiencia del sistema, el coste de capital o el factor de capacidad, entre otros. Hay diferentes tecnologías de electrólisis: Alcalino, PEMWE y SOEC, cada una con sus ventajas e inconvenientes, si bien en todas hay una perdida importante.
Las energías renovables suponen un cambio de paradigma debido a sus recursos prácticamente ilimitados, pudiendo sostener localmente las plantas de producción de hidrógeno.
Si bien el transporte de hidrógeno es un problema por su baja densidad, y es necesario licuarlo con los altos costes que esto genera, existe la posibilidad de mezclarlo con el gas natural a unos porcentajes bajos y transportarlo por los gasoductos. En el futuro podría ser una solución dedicar parte de la red a hidrógeno puro, con las adaptaciones necesarias; si bien esta no sería una solución para los vehículos, si que podría serlo para las industrias y hogares.
Figura 1. La reducción de costes de los electrolizadores y de la electricidad, junto con una mayor eficiencia y vida útil, pueden suponer a futuro una reducción del 80% del coste del hidrógeno [2]
El coste nivelado actual de la energía (LCOE) se ha cifrado en 26-54 $/MWh para la eólica y 29-42 $/MWh para la solar. La producción solar más barata se encuentra actualmente en Portugal, con un LCOE de 13 $/MWh.
Presentamos a continuación algunos proyectos muy relevantes sobre la mejora en la generación y usos del hidrógeno que no debes de perderte.
Proyectos sobre generación de hidrógeno
1. Optimización del coste de los electrolizadores para producir hidrógeno
A pesar de que algunos análisis demuestran que ya se puede producir H2 cerca del objetivo de 2 dólares por kilo [3], se prevé un descenso continuo de ese precio.
El fabricante noruego de electrolizadores Nel ha desvelado sus planes para reducir el coste de sus electrolizadores en un 75% aproximadamente en una nueva fábrica de 2GW. Esto permitiría reducir el precio del hidrógeno verde a 1,50 dólares por kg en 2025, aproximadamente el mismo coste que el H2 gris , es decir el derivado de combustibles fósiles [4].
Figura 2 - Fábrica de electrólisis de Nel de 2 GW
La predicción de precios se basa en una electricidad renovable a 20 dólares/MWh, incluyendo los costes de la vida útil durante 20 años: el coste del terreno, la obra civil, la instalación, la puesta en marcha y operación y el mantenimiento.
Con la finalización de su primera línea de producción de 500 MW en su nueva fábrica de electrolizadores alcalinos totalmente automatizada de Herøya, en Noruega, la empresa espera reducir el coste de producción en un 50% y seguir con la reducción de costes en el futuro.
2. Producción de hidrógeno a partir de residuos de papel
En Lancaster (California) se ha puesto en marcha un nuevo proyecto, apoyado en una tecnología pionera. Se trata de una planta de producción de hidrógeno que utiliza residuos de papel mixto reciclado y que ha sido construida por la empresa energética SGH2.
Esta tecnología reduce las emisiones de carbono entre dos y tres veces, y es también entre cinco y siete veces más barata que la electrólisis y la producción de energía renovable.
Figura 3. Comparativa de costes del hidrógeno. Fuente: SG H2 Energy
La empresa calcula que producirá hasta 11,000 kilogramos de hidrógeno al día (3,8 millones de kilogramos al año, casi tres veces más que cualquier otra instalación de producción de H2). Y esto procesando 42,000 toneladas de residuos reciclados al año [5].
El proceso de gasificación utiliza un proceso de conversión catalítica térmica mejorada por plasma y optimizada con gas enriquecido con oxígeno. Los sopletes de plasma generan temperaturas tan altas (3500 - 4000 grados Celsius), que los residuos de papel se desintegran en sus compuestos moleculares. De esta manera no se producen cenizas de combustión ni cenizas volantes tóxicas. A medida que los gases salen de la cámara del lecho catalizador, las moléculas se unen en una biosíntesis. Este proceso es rico en hidrógeno de muy alta calidad y libre de:
- Alquitrán
- Hollín
- Metales pesados. [6]
3. Producción de hidrógeno mediante radiación solar concentrada
Alemania está intentando convertirse en un líder mundial de producción de hidrógeno para así reducir la dependencia del gas ruso.
El instituto DLR (Deutsches Zentrum für Luftund Raumfahrt o Centro Aeroespacial Alemán) está trabajando en la producción de combustibles neutros en carbono a partir de energía solar. Uno de los procesos de esta investigación es la producción de hidrógeno a partir de agua mediante el uso de radiación solar concentrada [7].
En este proyecto denominado Synlight se dispone de un conjunto de 140 lámparas de xenón de arco corto (como las que se usan para la proyección de películas en los cines) que concentran la radiación en una superficie de 400 centímetros cuadrados. Con esa batería de lámparas y una potencia de 350 KW los científicos del DLP logran una intensidad 10,000 superior a la de la radiación solar en la superficie de la Tierra.
Figura 4 - Lámparas en el edificio Synlight del DLR [8].
Esta energía permite fabricar combustibles, incluido el Hidrógeno, gracias a los 3,000 grados centígrados resultantes.
Usos del hidrógeno y sus diferentes proyectos
4. El uso del Hidrógeno para la movilidad y el transporte
La hoja de ruta del DLR alemán apunta a la descarbonización total del sector de la aviación hasta mediados de 2030. Para ello se está trabajando en varias líneas incluyendo [9]:
- El uso de pilas de combustible y arquitecturas híbridas
- La combustión directa del hidrógeno en condiciones de vuelo real
- La mezcla del hidrógeno para su uso en las turbinas de gas
Figura 5 - Hoja de ruta del DLR hacia una aviación descarbonizada [9]
Desde 2005 se están empleando pilas de combustible para la propulsión de submarinos como el U35 [10]. El uso de hidrógeno permite a los submarinos no hacer ruido y tampoco producir calor bajo el agua, lo que les hace prácticamente indetectables. Además el uso del hidrógeno permite evitar la contaminación de combustibles tradicionales como el gasoil.
El hidrógeno también se usa para el automóvil, aunque aún de manera muy incipiente. La razón es la baja eficiencia energética de los procesos del hidrógeno a día de hoy:
- La generación de hidrógeno verde, mediante electrolizadores
- La compresión para un almacenamiento adecuado a vehículos
- La propulsión del vehículo mediante pila de combustible de hidrógeno
Por esta razón los vehículos eléctricos son por ahora la mejor alternativa al vehículo de combustión, especialmente para trayectos cortos.
El almacenamiento de H2 en sí mismo representa un gran reto para dotar de autonomía a vehículos pequeños [11]. Y es que comparados con los depósitos de combustibles fósiles, el peso y el volumen del sistema de almacenamiento de hidrógeno es mayor.
En algunos países se está probando un coche de Hyundai que tiene unos 580 km de autonomía con un consumo de unos 6 Kgs de hidrógeno. En el país existen unas 19 hidrogeneras donde actualmente se puede rellenar el depósito en 3-5 minutos con un precio de 50-55 euros [10]. Estos tiempos lo hacen muy competitivo frente a los cargadores de baterías de vehículos eléctricos.
Atendiendo al nivel de eficiencia con distintas fuentes de energía, a día de hoy es mejor el uso de coches eléctricos dejando el hidrógeno para el transporte pesado, aviones y barcos.
Figura 6 -Eficiencia energética total del vehículo por fuente de energía (arriba - eléctrico; centro - H2; abajo - diésel/gasolina) [10].
No se debe de olvidar que, además de los retos de eficiencia energética, la generación a gran escala de hidrógeno requiere el escalado de la generación de energía renovable. A día de hoy el hidrógeno verde es tres veces más caro que el gris, que se produce a partir de gas natural.
5. El Hidrógeno para calefacción urbana
Usar hidrógeno para la calefacción en ciudades requiere cambios tanto en la red de suministro como en las calderas de viviendas y edificios.
A día de hoy se empieza a usar el H2 mezclado con el gas natural [12] en muchas ciudades europeas [13] por lo que las compañías energéticas y fabricantes proponen instalar calderas que aceptan esta mezcla en el corto plazo y que a futuro permitirán el hidrógeno puro como combustible. Un caso interesante es el del fabricante de calderas BAXI que a día de hoy dispone de calderas mixtas y también de prototipos de calderas de hidrógeno puro cercanas a los 30 Kw.
Ahora bien, la proporción de H2 que se puede mezclar con el gas natural en las redes modernas llega al 15% a medio plazo, según Energy Storage Europe [14].
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Figura 7 -Límites de mezcla de hidrógeno en la red de gas natural por volumen [15].
Sin embargo, en comparación con el consumo de gas natural puro, los usuarios de la mezcla necesitarán mayor volumen para conseguir la misma energía. Esto es debido a que el H2 tiene una densidad energética mucho menor que el gas natural en términos volumétricos. De igual manera, respecto al impacto ambiental, una mezcla con el 5% de hidrógeno en volumen no se traducirá en un desplazamiento del 5% del consumo de combustibles fósiles [15].
Los usos del hidrógeno permitirán acelerar la transición energética para descarbonizar la economía, sobre todo una vez se consiga una capacidad y eficiencia adecuadas para las plantas de producción acopladas (electricidad y H2).
Incluso pensando en un eventual descubrimiento de nuevas fuentes de energía respetuosas con el medio ambiente, se debería avanzar con la incorporación del H2 para alimentar sectores industriales pesados difíciles de descarbonizar como el acero, el cemento y el transporte pesado.
La posibilidad de proporcionar un almacenamiento a largo plazo de bajo coste para las redes eléctricas también resulta atractiva cuando se consideran cuestiones de respuesta a la demanda [16].
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Referencias:
[1] “Assessment of Hydrogen Production Costs from Electrolysis: United States and Europe”; ICCT 2020: https://theicct.org/sites/default/files/icct2020_assessment_of_hydrogen_production_costs_v1.pdf
[2] “Green Hydrogen Cost Reduction – Scaling up electrolyzers”; Irena 2020: https://irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2020/Dec/IRENA_Green_hydrogen_cost_2020.pdf
[3] “DOE Hydrogen and Fuel Cells Program Record”; DOE 2020: https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/20004-cost-electrolytic-hydrogen-production.pdf
[5] “World’s Largest Green Project to Launch in California”; SGH2 Energy: https://www.sgh2energy.com/worlds-largest-green-hydrogen-project-to-launch-in-california
[6] Green Car Congress: https://www.greencarcongress.com/2020/05/20200521-sgh2.html
[7] DLR at a glance: https://www.dlr.de/content/en/research-facilities/synlight.html
[8] “World’s Biggest Artificial Sun”; DLR: https://helioscsp.com/dlr-inaugurates-the-worlds-largest-artificial-sun/
[9] “DLR’s Demonstrator roadmap towards Zero Emission Aviation”:
[10] “Is green hydrogen the answer to the climate crisis?”; DW Documentary: https://www.youtube.com/watch?v=4sn0ecqZgog&ab_channel=DWDocumentary
[11] https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-storage-challenges
[12] https://www.fchea.org/in-transition/2021/3/8/hydrogen-blending
[13] https://group.vattenfall.com/press-and-media/newsroom/2020/heating-of-amsterdam-every-source-needed
[14] https://networks.online/gas/could-hydrogen-piggyback-on-natural-gas-infrastructure/
[15] S&P Global Patts:
[16] “Optimal operation of the hydrogen-based energy management system with P2X demand response and ammonia plant”: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0306261921009375