El hidrógeno será un actor importante en la economía sin emisiones de carbono que el mundo necesita. Pero necesitamos entender qué hace y cómo se utilizará.
Se puede producir hidrógeno “verde” a partir de agua mediante electrólisis utilizando electricidad renovable. Después se puede almacenar en tanques o en compuestos químicos. Puede transportarse a través de oleoductos, o bien licuarse y transportarse por carretera y por mar en contenedores y camiones cisterna.
Cuando se necesita energía, el hidrógeno se puede quemar o hacer reaccionar en pilas de combustible para producir electricidad. El único subproducto es el agua con la que se inicia el proceso.
Efectivamente, el hidrógeno es un medio para almacenar energía renovable. Cuando lo usas, recuperas la electricidad que invertiste pero, por supuesto, pierdes algo de energía en el proceso.
La electrólisis tiene una eficiencia del 80 por ciento, pero la oxidación del hidrógeno en una celda de combustible puede devolver solo menos del 46 por ciento de la energía invertida en la electrólisis.
Si simplemente se está introduciendo energía y retirándola más tarde, con un viaje de ida y vuelta bastante ineficiente, ¿por qué molestarse con el hidrógeno? Hay dos razones.
En primer lugar, la mayor parte de la energía renovable es intermitente. El sol no brilla por la noche y el viento no sopla todo el tiempo. Si la demanda de electricidad es baja, habrá que apagar un parque solar, incluso si brilla el sol.
En los mercados desarrollados, más del 1,5 por ciento de la posible producción de fuentes renovables se “restringe” de esta manera. A menos que haya una manera de almacenar esa energía, la cantidad recortada aumentará a medida que entren en funcionamiento más fuentes renovables y se saldrá de escala cuando reemplacen las fuentes fósiles.
California tiene muchas instalaciones solares y eólicas y en 2020 redujo alrededor del cinco por ciento su producción de energía renovable, que asciende a 1,5 millones de MWh. Por contexto, eso equivale a alrededor de 170MW de potencia.
Por lo tanto se necesita dónde almacenar esa energía. Y si se va a almacenar energía, el hidrógeno tiene algunas ventajas importantes sobre las baterías.
Tiene una densidad energética de alrededor de 33 kWh por kg, que es más de cien veces mayor que la de las baterías de iones de litio (que contienen alrededor de 0,26 kWh/kg). También es tres veces más que la gasolina o el gas natural.
Se espera que la eficiencia aumente a medida que se mejoren los procesos, y algunos operadores afirman que se están acercando a una eficiencia de hasta el 90 por ciento.
Es por eso que el hidrógeno a menudo se considera un sustituto de diversas aplicaciones de hidrocarburos, incluido el transporte.
Primeros usuarios
Debido a que es portátil y tiene una alta densidad energética, el hidrógeno se utilizará primero en el transporte, impulsando vehículos demasiado grandes para funcionar con baterías.
Un camión podría tener una carga útil de 50.000 kg, y transportar 20.000 kg de batería la reduciría sustancialmente. Y los tiempos de carga de la batería la harían menos efectiva como parte de una red logística.
"Si se necesita un día y medio para recargar esa batería", dice Mark Monroe, de Energetic Consulting. "En lugar de eso, puedes simplemente agregar algunos tanques de combustible de hidrógeno a alta presión, hacer funcionar un camión de hidrógeno por esa misma ruta y transportar más carga útil, en lugar de llevar baterías".
Las empresas de hidrógeno ya están proporcionando sistemas para esta aplicación. El especialista en hidrógeno Plug Power ha producido una instalación de hidrógeno verde para camiones comerciales en el sur de California, que utiliza dos electrolizadores de 5 MW para proporcionar dos toneladas de hidrógeno por día, que se pueden utilizar para alimentar a los camiones.
Monroe trabajó anteriormente en Microsoft, trabajando en aplicaciones de hidrógeno para la energía de los centros de datos, pero admite que los vehículos utilizarán hidrógeno primero: "El transporte será mucho, mucho mayor que la huella del uso del centro de datos durante mucho, mucho tiempo". dice Monroe.
Incluso para los vehículos más pequeños propulsados por baterías, el hidrógeno podría desempeñar un papel de apoyo: "Una de las aplicaciones más importantes del hidrógeno podría ser las estaciones de carga rápida de vehículos eléctricos".
Las estaciones de carga rápida en zonas remotas tienen que almacenar energía para cargar los coches rápidamente. Empresas como General Motors y Plug Power han desarrollado unidades de almacenamiento de energía del tamaño de contenedores, que contienen pilas de combustible de hidrógeno.
El sistema de Plug tiene un tanque de hidrógeno líquido de 68.000 litros y un sistema de celda de combustible a escala de megavatios que puede proporcionar más de 60 megavatios hora (MWh) de energía rápidamente, suficiente para cargar rápidamente más de 600 vehículos eléctricos.
“Instalar una estación de carga rápida en una tienda o en una parada de camiones se vuelve mucho más fácil. Simplemente dejas caer un contenedor en el estacionamiento y los autos pueden recibir una carga del 80 por ciento en 15 o 20 minutos y pagar en la tienda. Y una vez a la semana o cada pocos días, llega un camión cisterna de hidrógeno y recarga el contenedor”.
Para la minoría de vehículos de hidrógeno, el mismo sistema podría tener un grifo para tomar hidrógeno directamente: “Esa podría ser una manera de empezar a ampliar también la flota de vehículos de hidrógeno. Los cargadores de vehículos eléctricos serán lo primero, y luego los coches de hidrógeno ocuparán su lugar donde sean necesarios, para las personas que realizan viajes largos.
Además del transporte, cree que la energía del hidrógeno en los centros de datos eventualmente se expandirá rápidamente: "Tan pronto como los productos estén disponibles, y tan pronto como el hidrógeno esté disponible, la gente se morderá las manos para intentar que las cosas funcionen".
Varios operadores de centros de datos están considerando muy seriamente el hidrógeno, aunque el cambio del diésel no es del todo sencillo.
El almacenamiento de gas ocupa mucho más espacio que los tanques de diésel líquido, y el hidrógeno puede ser un gas complicado de manejar. Es el átomo más pequeño del universo y las moléculas de H2 son diminutas. Esto significa que las tuberías y tanques deben tener altas especificaciones para evitar fugas.
Y la distribución de gas hidrógeno, como veremos, se encuentra en un momento muy temprano.
A pesar de ello, Microsoft está a la cabeza, probando diversas formas de consumir hidrógeno en sus instalaciones (ver recuadro).
Los centros de datos podrían verse obligados a consumir hidrógeno más rápidamente, si la energía diésel se convierte en un factor de riesgo para los nuevos centros de datos. Por ejemplo, Maryland recientemente denegó exenciones para 504 MW de generadores diésel que Aligned había solicitado colocar en un terreno dentro del gigantesco parque de centros de datos de Quantum Loophole.
Monroe cree que este tipo de decisión significa que muchas empresas pueden verse "obligadas" a adoptar algún tipo de solución limpia.
Apoyo del gobierno
El hidrógeno podría abaratarse gracias al apoyo del sector público. El gobierno de Estados Unidos ha incluido el hidrógeno en el paquete de inversión de más de 500 mil millones de dólares conocido como Ley de Infraestructura, Inversión y Empleo. "Se están invirtiendo miles de millones de dólares en centros de hidrógeno, sistemas de transporte de hidrógeno, investigación sobre almacenamiento, generación de hidrógeno y subsidios al hidrógeno", dice Monroe.
El Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) tiene una “inyección de hidrógeno” destinada a reducir el precio del hidrógeno verde desde su nivel actual de alrededor de 10 a 15 dólares por kg, hasta 1 dólar por kg.
“A 1 dólar por kilogramo, se empieza a competir con los hidrocarburos en términos de energía por dólar”, dice Monroe. Es optimista de que el DOE logrará su objetivo. Su anterior “Sun Shot” en la década de 2010 tenía como objetivo reducir la electricidad solar de 6 dólares por vatio a un objetivo de 1 dólar por vatio para 2020, y cumplió el objetivo en 2016.
"Veo exactamente el mismo tipo de cosas sucediendo en la industria del hidrógeno, en términos de los proyectos que se anuncian, las empresas involucradas, los gobiernos que subsidian, financian y alientan proyectos".
Actualmente, Estados Unidos tiene un subsidio de 3 dólares por kilogramo para el hidrógeno verde, dice: "Así que sólo hay que reducir el costo a cuatro dólares por kilogramo y verás que la economía del hidrógeno comienza a desarrollarse".
Transporte de hidrógeno
Pero si la industria va a utilizar hidrógeno, debe estar disponible donde tenga sentido. La electricidad la proporciona una red, mientras que el agua y el gas se canalizan donde se necesitan.
El hidrógeno se producirá donde haya un excedente de electricidad verde que pueda utilizarse para hacer funcionar plantas de electrólisis. Por ejemplo, en Dinamarca, H2 Energy ha encargado 1 GW de electrolizadores a Plug Power para producir hidrógeno a partir de la electricidad generada en un gigantesco parque eólico marino.
Llevar eso a las industrias que quieran utilizar hidrógeno requerirá una nueva infraestructura. Monroe dice que esto tendrá que empezar desde lo básico: "Al principio, el hidrógeno se transportará principalmente en camiones".
Esto no es una sorpresa, afirma, porque el perfil físico del hidrógeno y sus primeras aplicaciones son muy similares a los del petróleo.
"Donde vivo cerca de Denver, tenemos muchos desarrollos de perforación petrolera dispersos, y tengo esta imagen del sistema de transporte de hidrógeno desarrollándose de la misma manera que el sistema de transporte de petróleo se ha desarrollado en los últimos 30 o 40 años", dice.
“Empiezan con un pozo prometedor, lo convierten en un sitio de producción y luego comienzan a sacar el producto en camiones”, explica. "Cuando hay suficiente tráfico y las ganancias son lo suficientemente altas, pueden tener una línea ferroviaria que llegue a un área central, y luego transportan por ferrocarril todo lo que pueden, porque es más barato".
Finalmente, dice, “durante décadas, deciden que ésta es un área donde necesitamos un conducto hacia un área más amplia. Esto puede hacer que el transporte del petróleo sea mucho, mucho más barato. Creo que veremos una progresión como esa en la industria del hidrógeno. Pero por ahora, casi todos los planes de transporte que he visto para centros de hidrógeno se basan en camiones”.
Con el tiempo, la industria del hidrógeno tendrá que enviar su producto a donde sea necesario, al igual que otras industrias: “Si recuerdas, cuando Tesla comenzó a fabricar en los EE. UU., sabían que uno de los mayores problemas era que no había suficientes estaciones de carga. Entonces, además de desplegar los vehículos, pagaron estaciones de carga. Sabían que necesitaban extender la red de distribución lo suficiente como para poder viajar de California a Nueva York en los EE. UU. utilizando un automóvil eléctrico”.
“Creo que veremos lo mismo en el hidrógeno. Estos centros serán puntos centrales para la creación de hidrógeno verde y su transporte. Y luego, a medida que aumente la demanda alrededor de esos centros, los planes se expandirán.
Y eventualmente, irá a parar a los oleoductos.
La fiabilidad de las tuberías
Si el hidrógeno está disponible en una red de tuberías, entonces podría convertirse en un competidor muy serio para un respaldo confiable, o incluso energía primaria para los centros de datos. Algunos centros de datos ya están considerando el gas natural de esa manera a pesar de su intensidad de carbono. El hidrógeno de una tubería podría ser potencialmente una fuente confiable de energía verde.
“La red de gas natural tiene 10 veces más disponibilidad que la red eléctrica”, afirma Monroe. Esto puede ser contrario a la intuición, pero se basa en el hecho de que el gas se bombea físicamente al sistema bajo presión y el sistema de tuberías actúa efectivamente como un sistema de almacenamiento de energía en sí mismo.
"En caso de un fallo en la red de gas natural, todavía hay presión en el sistema y los sistemas seguirán funcionando durante algún tiempo, hasta que la presión baje demasiado", explica.
Pero hay un problema: cuando el hidrógeno comienza a llegar a los oleoductos, las cosas pueden volverse políticas.
Política de oleoductos
Ya existe una extensa red de tuberías que distribuyen gas natural. Lamentablemente, estos no se pueden cambiar completamente al hidrógeno porque, como señalamos anteriormente, el hidrógeno tiene propiedades diferentes.
Las diminutas moléculas del hidrógeno pueden permear el metal de tuberías y contenedores. Potencialmente, esto puede crear fugas, pero existe una preocupación más grave. Los átomos de hidrógeno pueden penetrar en la estructura metálica y afectar las propiedades de resistencia a la fatiga y a la fractura de los tubos de acero, haciéndolos más susceptibles a agrietarse.
El hidrógeno también tiene una energía menor por unidad de volumen que el gas natural (nota para alertar a los lectores: como dijimos anteriormente, el hidrógeno tiene más densidad energética en peso que el gas natural, pero es mucho más liviano).
Esto significa que si se coloca en un sistema de tuberías que actualmente se utiliza para gas natural, los usuarios de ese sistema obtendrán menos energía del gas que obtienen, a menos que se aumente la presión para dar un flujo más rápido, lo que crea otros problemas para la tubería.
Pruebas como la iniciativa estadounidense Hyblend sugieren que es posible mezclar hidrógeno con gas natural en los gasoductos existentes, en concentraciones de hasta el 20 por ciento.
La política de la UE parece sugerir que el porcentaje debería mantenerse entre el 5 y 10 por ciento, con un aumento a entre el 15 y 20 por ciento “hacia el final de la década”.
En el Reino Unido, la Asociación de Redes de Energía (ENA) ha dicho que puede poner un 20 por ciento de hidrógeno en la red de gas a partir de 2023.
Quienes están a favor, incluida la “defensa del hidrógeno” designada por el gobierno del Reino Unido, Jane Toogood, dicen que esto ayudará a generar una masa crítica para el uso del hidrógeno y reducirá la intensidad de carbono del gas del país.
"La mezcla debe estar disponible para 2025 para desbloquear la inversión en la producción de hidrógeno", dijo Toogood, director ejecutivo de tecnologías de catalizadores en la empresa química Johnson Matthey. "La combinación potencialmente ayuda a la inversión, reduce las emisiones, permite equilibrar la oferta y la demanda y facilita la experiencia temprana con el hidrógeno, incluso en el Sistema Nacional de Transmisión de gas (NTS), sujeto a una demostración satisfactoria del caso de seguridad".
Pero la idea ha enfrentado una oposición significativa. Un grupo que incluye a la empresa de servicios públicos Octopus Energy, el grupo de expertos E3G, Greenpeace y Amigos de la Tierra dijo en una carta al gobierno que el plan “lavaría de verde” la industria del gas fósil y aumentaría las facturas de los consumidores por un nivel insignificante de descarbonización.
"Aumentar las facturas de energía durante una crisis del costo de vida es la forma equivocada de desarrollar la demanda industrial del H2", afirmó el grupo. El hidrógeno disponible al principio será una mezcla que incluirá hidrógeno verde, pero también mucho hidrógeno "gris" producido a partir de gas natural y petróleo, por lo que no se descarbonizará tanto como se espera.
Argumentos similares han tenido lugar en el Parlamento Europeo, pero los defensores del hidrógeno dicen que tenemos que adoptar una opción que mejore lo que tenemos, en lugar de aferrarnos a la perfección.
No esperes la perfección
"Tengo un problema con la gente que descarta una buena solución porque no es perfecta, ¿verdad?" dice Monroe. "No menospreciaría un ahorro de 10 o 20 por ciento de carbono basado en una mezcla de hidrógeno, si estuviera disponible".
Parte de este argumento tiene que ver con los usos del hidrógeno. Si llega a las redes de consumo, se utilizará para calefacción de hogares y oficinas, aplicaciones que funcionan mejor con bombas de calor eléctricas.
Por el contrario, las industrias pesadas, como la siderúrgica, tienen una enorme necesidad de calor que no se puede suministrar eléctricamente, y el hidrógeno reducirá su intensidad de carbono en cualquier porcentaje:
"El consumo en las industrias de generación de calor es tan grande que incluso si sólo redujéramos el 5 o el 10 por ciento de las emisiones mediante la mezcla de hidrógeno, no se generaría una enorme cantidad de carbono", dice Monroe.
"Una acería podría reducir entre un 10 y un 20 por ciento su huella de carbono si tuviera una solución mezclada de hidrógeno y gas natural para generar el calor que necesita para sus procesos", dice Monroe.
Sin embargo, el uso de hidrógeno en el gasoducto puede volverse más sofisticado porque existen filtros que pueden eliminar el hidrógeno puro de una mezcla de gases, porque, como observamos anteriormente, las moléculas de hidrógeno son mucho más pequeñas que los otros gases involucrados.
"Hay demanda de ambas partes", dice Monroe. “Algunas personas quieren hidrógeno puro para las pilas de combustible, pero también hay personas que quieren gas natural puro, porque necesitan un mayor contenido calórico. Creo que ambas partes se beneficiarán si consiguen separar el hidrógeno a escala”.
El hidrógeno mezclado también se beneficia de la función de almacenamiento de las redes de gas. "Una investigación en la UCI ha demostrado que no podemos lograr un alto uso de energía renovable sin las características del hidrógeno", dice Jack Brouwer, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial de la Universidad de California en Irvine y director de el Centro Nacional de Investigación de Pilas de Combustible con sede en la UCI.
Brouwer lidera un proyecto para inyectar hidrógeno en ductos y dice: “En este estudio se investigará y avanzará el almacenamiento masivo y la transmisión y distribución subterráneas resilientes de energía renovable que será posible mediante la transformación del sistema de gas hacia el uso de hidrógeno renovable y limpio."
Monroe está de acuerdo: “Si se toman 160 km de gasoducto con un cinco por ciento de hidrógeno mezclado, eso es mucho hidrógeno. Y si se usa así, el sistema de gas natural tiene almacenamiento y transporte. ¡Eso haría avanzar el hidrógeno bastante rápido!
Excavando en busca de hidrógeno
El hidrógeno natural, conocido como “hidrógeno blanco”, podría aumentar su disponibilidad. “La visión optimista es que existe en cantidades que pueden ser grandes. Nadie lo había buscado antes, porque siempre estamos buscando petróleo”, dice Monroe.
La industria del petróleo y el gas tiende a ridiculizar la idea, diciendo que si la gente está extrayendo hidrógeno de la tierra, es "igual que obtener petróleo, así que ¿por qué no nos centramos simplemente en el petróleo de la tierra?".
En opinión de Monroe, esto es un progreso: "si han irritado a la industria del petróleo y el gas lo suficiente como para prestarle atención incluso para ridiculizarla, tal vez haya algo real en la industria minera del hidrógeno".
Si está ahí, podría resultar barato extraerlo utilizando las técnicas existentes para el gas natural: “Parece que la transferencia de tecnología se produciría con bastante rapidez.
“Puede ser incluso más barato que generar hidrógeno mediante electrólisis, porque no creo que tengas la cantidad de equipo de capital que tienes con un parque eólico o una gran fábrica solar. Pero como cualquier otra parte de la industria del hidrógeno, llevará algún tiempo alcanzar la escala y más tarde tendremos los mismos problemas de transporte".
Hidrógeno geopolítico
Una vez que el mundo pueda crear y distribuir hidrógeno fácilmente, podría cambiar el equilibrio de poder a medida que nuevas naciones se vuelvan ricas en energía.
"Con la disponibilidad de energía eólica y solar, y la capacidad de producir hidrógeno como medio de almacenamiento de energía, podría haber un cambio significativo en quiénes son los verdaderos productores de energía en el mundo en los próximos 50 años", dice Monroe.
Woodside Energy de Australia ha formado un plan con Keppel de Singapur para enviar hidrógeno licuado desde su planta H2Perth para alimentar los centros de datos de Keppel, porque Singapur tiene muy poca energía verde propia.
Otros países podrían hacer cosas similares: “Tal vez esta sería una oportunidad para que el África subsahariana se convierta en dominante en el espacio energético. Los países ecuatoriales tendrán una ventaja porque reciben más luz solar que cualquier otro lugar de la Tierra, de manera más confiable y consistente durante todo el año”.
Se han realizado experimentos con paneles fotovoltaicos flotantes: “Incluso los países insulares podrían dedicarse a la producción de hidrógeno.
“Va a ser muy interesante durante los próximos 50 años. Si el hidrógeno se convierte en un combustible dominante, ¿Quiénes serán los proveedores de energía en todo el mundo? Podría ser un cambio significativo respecto de donde nos encontramos hoy”.