Lo que necesitas saber sobre el hidrógeno verde

El uso del hidrógeno como alternativa para descarbonizar la matriz energética ha sido cada vez más discutido y su uso ya forma parte de la planificación estratégica de muchos países.

Pero, ¿qué sabes sobre este elemento? ¿Qué es el hidrógeno verde?

Estas y otras preguntas recurrentes sobre el tema fueron el tema del programa Expandir de Mitsidi, disponible en YouTube, y cuyas respuestas se resumen a continuación.

¿Cuáles son las características del hidrógeno?

El hidrógeno, en el que tanto se piensa cuando se aborda el tema de la transición energética, es una molécula formada por dos átomos de hidrógeno. El átomo de hidrógeno es el más pequeño que existe, generalmente formado por un solo protón y un electrón (aunque existen variaciones radiactivas que contienen neutrones en el núcleo). La molécula de hidrógeno también es extremadamente pequeña, estando formada por dos de estos átomos de hidrógeno unidos covalentemente.

En su forma molecular, el hidrógeno es gaseoso, poco denso, inodoro, insípido, incoloro y no irritante. Sin embargo, es un gas inflamable y tiene un punto de ebullición inferior a -200 °C, como se puede ver en el sitio web PubChem.

El átomo de hidrógeno es el elemento más abundante en el universo, como podemos ver en el artículo de Walter J. Maciel. En nuestro planeta, es el tercero más abundante, como afirma el sitio web H2Brasil, sin embargo, constituye solo el 0,00005% de la atmósfera según el artículo, esto lleva a la conclusión de que este elemento está, en su mayor parte, asociado a otros átomos, en la composición de las moléculas. La producción de hidrógeno molecular consiste en estas interacciones y en proporcionar las condiciones para que se produzca predominantemente el enlace entre átomos de hidrógeno. En esta paleta de núcleos utilizados para clasificar el hidrógeno, también hay otros núcleos que varían según el proceso de producción. Por ejemplo, el hidrógeno gris se produce a partir de gas natural sin captura de carbono (CCUS – Carbon Capture Utilization and Storage) y el hidrógeno azul, que se produce a partir del reformado de gas natural, pero con captura de carbono (CCUS). Por ello, el hidrógeno verde se considera menos contaminante que, por ejemplo, el hidrógeno gris.

¿Cuáles son las ventajas y desventajas del hidrógeno frente a otros combustibles (gas natural, gasolina, diésel, etc.)?

El hidrógeno es un elemento muy interesante desde el punto de vista energético porque tiene una alta densidad energética en peso, de 2,8 a 3 veces mayor que la gasolina. Sin embargo, una de las principales especificaciones es la baja densidad energética por volumen, alrededor de 4 veces menor que la gasolina, lo que dificulta el almacenamiento y transporte del gas.

¿Cuál es la claridad con las pilas de combustible de hidrógeno?

Las pilas de combustible transforman la energía química de un combustible, en el caso del hidrógeno, en energía eléctrica y calor, de forma similar a lo que ocurre con las baterías, y pueden tener varias aplicaciones para el almacenamiento de energía, el uso en vehículos eléctricos y en sistemas aislados. Es el proceso opuesto a la electrólisis, en el que el oxígeno y el oxígeno reaccionan y liberan energía y agua. Como el sector del transporte es uno de los mayores emisores de CO2, el uso de vehículos propulsados por pilas de combustible de hidrógeno tiene el potencial de contribuir a la descarbonización de la matriz energética de los países.

Cabe destacar, sin embargo, que Brasil tiene una gran ventaja en comparación con otros países europeos porque también utiliza etanol, producido a partir de caña de azúcar (una fuente limpia y renovable), como combustible en el sector del transporte. Aun así, sigue siendo ventajoso tener un vehículo de pila de combustible alimentado por H2, en lugar de etanol, porque el rendimiento es mejor, además de tener mayor eficiencia que un motor de combustión. Cada uno tiene ventajas y desventajas y da lugar a uno de los “colores” del hidrógeno.

Los procesos de reformado son los más utilizados en la actualidad y se basan en reacciones entre metano y monóxido de carbono y agua, produciendo hidrógeno y dióxido de carbono. Este proceso puede tener un paso adicional de captura de dióxido de carbono, reduciendo su impacto en el clima. Se trata de un proceso con un requerimiento energético moderado, pero que, en general, presenta elevados impactos, tanto por el uso de energía, como por la liberación de dióxido de carbono y el uso intensivo de agua.

Los procesos de electrólisis son los más reportados y la mayor apuesta del mercado en estos momentos. Básicamente consiste en utilizar energía eléctrica para crear una diferencia de potencial eléctrico entre un polo positivo y uno negativo, dentro de un dispositivo llamado “celda electrolítica”, provocando que las moléculas de agua se descompongan y formen moléculas de hidrógeno y oxígeno. Si la energía eléctrica utilizada proviene de fuentes como la eólica o la solar, el hidrógeno producido se considerará hidrógeno verde. Puede ser un proceso prácticamente libre de emisiones en su funcionamiento, pero requiere grandes cantidades de energía y agua.

La pirólisis es un proceso en el que se expone un material orgánico a altas temperaturas sin presencia de oxígeno, impidiendo su combustión, y al aumentar la temperatura se rompen los enlaces químicos de las moléculas de este material. Si se utiliza un hidrocarburo simple como material orgánico (metano, por ejemplo), los productos de este proceso serán únicamente hidrógeno y carbono. Si hay otros átomos en la molécula de hidrocarburo (azufre o nitrógeno, por ejemplo), se pueden liberar reacciones más complejas y otras moléculas, pero existen optimizaciones de parámetros que pueden ayudar a generar el máximo hidrógeno posible y los mínimos contaminantes. Es uno de los procesos puramente físico-químicos con menor requerimiento energético y sin necesidad de utilizar agua ni liberar dióxido de carbono, pero sí requiere un alto nivel de optimización para garantizar la ausencia de sustancias nocivas al final del proceso.

En la siguiente figura, extraída de un artículo de Forbes, se compara el uso típico de recursos de estas tres vías de producción para la producción de una tonelada de hidrógeno.

Los bioprocesos de producción de hidrógeno se subdividen a su vez en tipos de acción biológica, como podemos ver en la imagen siguiente tomada de la web ScienceDirect, pero, en general, son procesos en los que se utiliza un elemento biológico (hongos, algas o bacterias) como elemento principal de producción. En general, se trata de procesos que desactivan menos energía, pero tienden a tener una producción menor y la optimización de los parámetros, para asegurar que los organismos produzcan la mayor cantidad de hidrógeno posible, puede ser altamente compleja.

Fuente: Sciencedirect

¿Cuál es el potencial de producción y uso de hidrógeno verde en el mercado actual, tanto a nivel nacional como internacional?

En primer lugar, es importante comprender cómo funciona la cadena del hidrógeno para comprender todas sus posibilidades. La siguiente figura representa esta cadena, desde la producción hasta el uso final:

Fuente: IRENA

Fuente: IRENAConsiderando esta cadena, en Brasil, la producción de hidrógeno verde a partir de fuentes de energía renovables, como la eólica y la solar, a través del proceso de electrólisis, tiene un alto potencial debido a la creciente participación de estas fuentes eléctricas (84,8%) y energéticas (48,3%) en el país (Datos 2020, EPE). En comparación con el escenario global, las matrices eléctrica y energética tienen un 27% y un 14%, respectivamente, según datos de la IEA de 2019. Cabe destacar que aún existe potencial sin explotar para la generación eólica marina, que también podría ser una fuente de energía para la producción de H2 verde.

Considerando el uso de biocombustibles (etanol/biodiésel, biogás y biorresiduos (agroforestales y agroindustriales) que, mediante procesos de reformado, pirólisis o gasificación, pueden producir H2 verde, cabe destacar el gran potencial vinculado al uso de etanol para producir H2 verde debido a la industria ya consolidada en el país.

Las regiones más prometedoras para la producción de H2 verde, vinculadas a cada fuente debido a la distribución de la generación existente (SIGA, ANEEL), son las siguientes:

• Eólica → Electrólisis → Región Nordeste con énfasis en Rio Grande do Norte, Bahía y Piauí.
• Solar → Electrólisis → Regiones Norte y Nordeste, con énfasis en Pará, Ceará, Paraíba, Alagoas, Piauí y el extremo norte de Bahía.
• Etanol → Reforma → Regiones Centro-Oeste, Sudeste y Nordeste
• Biogás → Pirólisis o gasificación → Regiones Sur, Sudeste y Centro-Oeste
• Biodiesel → Reforma → Regiones Sur, Sudeste y Centro-Oeste
• Biorresiduos → Gasificación → Todas las regiones debido a los diferentes cultivos agrícolas.

Fuente: ABH2

Además, estudios indican que Brasil tiene reservas de hidrógeno en su forma natural (Fuente: Engie Research en conjunto con Geo4u) demostrando presencia en el suelo y pozos profundos de la Cuenca del São Francisco, en Minas Gerais. Además de Minas Gerais, se estudiaron áreas en los estados de Ceará, Goiás, Tocantins, Roraima y Bahía. Sin embargo, esta lista podría ser aún más larga ya que algunas regiones ni siquiera fueron estudiadas. En Brasil, los principales centros de producción de hidrógeno verde se concentran en el Puerto de Pecém en Ceará, el Puerto de Açu en Río de Janeiro y el Puerto de Suape en Pernambuco y están motivados por la exportación de H2 Verde al exterior.

A nivel internacional, según datos publicados en el sitio web de la BBC, Australia, China, Alemania, Holanda, Arabia Saudita y Chile son los países con los mayores proyectos de producción de H2 Verde del mundo. En cuanto al consumo de hidrógeno verde, Brasil tiene como potenciales compradores de insumos los siguientes sectores: Fertilizantes, Cemento, Energía, Minería, Químicos, Siderurgia, Transporte, Vidrio Plano, Alimentos. Cabe destacar que los fertilizantes fueron el producto más importado por Brasil en 2021, originarios principalmente de Rusia y China. Esta dependencia del consumo se puede minimizar fabricando el producto internamente utilizando H2 verde en reemplazo del gas natural para la producción de fertilizantes nitrogenados como el amoníaco. Además, debido a la construcción de Hubs de Hidrógeno cerca de los puertos importantes del país, existe una intención declarada de exportar este insumo, principalmente a Europa.