La industria energética mundial ha alcanzado recientemente un nivel fundamentalmente nuevo de desarrollo socioeconómico, cuando la pregunta clave cambió de “¿Qué utilizamos como combustible?” a “¿Cómo alimentamos?”. La industria ofrece muchas opciones energéticas diferentes, desde carbón hasta energía mareomotriz. Al mismo tiempo, la humanidad toma su decisión, alejándose de las fuentes más baratas y asequibles que solían ser la tendencia hace treinta años, a las fuentes de energía más ecológicas y eficientes en energía. Los actores globales clave como la Unión Europea, Japón, Estados Unidos, China y Rusia están ahora ocupados estableciendo condiciones para la inversión en el desarrollo de nuevas tecnologías energéticas. Una de las opciones más prometedoras puede ser el uso generalizado de hidrógeno como combustible y almacenamiento de energía. Sobre esto es necesario destacar el estudio de la “Global Energy Association”.
El primer elemento
El hidrógeno, el primer elemento de la tabla periódica, parece haber sido creado específicamente para convertirse en el combustible ideal. Es el elemento más común en todo el universo. Su poder calorífico alcanza los 120 MJ / kg. Cabe señalar que el metano (el recurso energético con el segundo mejor valor calorífico) produce solo 56 MJ / kg. Cuando se usa hidrógeno, se forma agua pura sin emisiones nocivas a la atmósfera, lo cual es totalmente consistente con la agenda ambiental global. Este gas se ha utilizado durante mucho tiempo en las industrias químicas y de refinación de petróleo, por lo que la humanidad ya ha adquirido experiencia trabajando con él. Según la AIE, en total se producen alrededor de 69 millones de toneladas de hidrógeno por año en el mundo, y 48 millones de toneladas se producen anualmente como subproducto. De estos, el 63% se usa en la industria química, el 31% en refinación de petróleo, el 6% en procesamiento, y menos del 1% como combustible para automóviles, camiones y misiles. Fue la industria espacial la que primero evaluó el potencial del hidrógeno como combustible. En los años 80, el hidrógeno líquido se usaba activamente como combustible de cohete para los transbordadores espaciales y los transbordadores Buran. Además, la URSS incluso diseñó el primer avión basado en el TU-154 con un motor de hidrógeno.
Sin embargo, solo durante la última década, cuando los países industrializados comenzaron la implementación activa de programas ambientales para reducir las emisiones de CO2, y después de la firma del Acuerdo Climático de París, el hidrógeno comenzó a considerarse como una alternativa real al combustible de hidrocarburos. Cada vez más países llegan a la conclusión de que la energía debe cambiarse gradualmente a una base de metano-hidrógeno.
Como señaló el galardonado con el Premio Nobel de la Paz, presidente del Comité Internacional del Premio Mundial de Energía (Global Energy Prize), Rae Kwon Chung, “el hidrógeno es la mejor solución para la descarbonización de la economía global y para alcanzar el objetivo de cero emisiones para 2050″.
“Muchos países, incluidos EE. UU., Alemania, Japón e incluso Corea, participan activamente en la economía del hidrógeno y ya producen automóviles alimentados con hidrógeno. La transición del combustible de metano-hidrógeno al hidrógeno será el enfoque práctico que puede estimular el despliegue de la infraestructura de hidrógeno. Las innovaciones destinadas a la producción en masa de hidrógeno a un precio competitivo serán cruciales para la transición a una economía del hidrógeno. Las pruebas y la optimización de diversas tecnologías, incluidas la pirólisis de metano y los métodos químicos de plasma para producir hidrógeno a partir del gas natural, serán un paso importante para avanzar hacia la descarbonización profunda para lograr el objetivo establecido por el Acuerdo Climático de París“, dijo Rae Kwon Chung a la Global Energy Association.
El mundo del hidrógeno
Japón, el país que depende en gran medida de las importaciones de hidrocarburos, está introduciendo activamente tecnologías de hidrógeno. En 2014, adoptaron una hoja de ruta para construir una “sociedad basada en el hidrógeno”. Según el programa, el uso de hidrógeno debería aumentar de 200 toneladas en 2018 a 10 millones de toneladas en 2050. Incluso hoy, Japón ya tiene alrededor de 2.5 mil automóviles con motor de hidrógeno. Al mismo tiempo, Japón planea comprar más hidrógeno de Australia. Sin embargo, este gas se obtendrá a través de la refinación de petróleo.
En el verano de 2019, China lanzó el “Libro Blanco” sobre energía de hidrógeno y celdas de combustible chinas, según el cual, para 2050, el hidrógeno representará el 10% del consumo de energía del país, o 60 millones de toneladas por año. Para 2030, la RPC poseerá hasta 2 millones de vehículos con celdas de combustible de hidrógeno.
Shanghai planea construir un “Puerto de Energía de Hidrógeno” de clase mundial en el área de Jiading para crear una cadena de producción confiable para el transporte de hidrógeno. Sobre la base del puerto de energía del hidrógeno, se formará un grupo industrial de 2,15 metros cuadrados, que generará ingresos de $ 7.23 mil millones por año.
En Europa, la Iniciativa Tecnológica de la Empresa Común Pilas de Combustible e Hidrógeno se lanzó en 2017. La Iniciativa exige el uso activo del hidrógeno como parte de la “transición energética”, y la inversión en proyectos de hidrógeno por un total de 1.800 millones de euros en los próximos cinco años. Dos provincias holandesas, Groninga y Drente, planean instituir conjuntamente el “Valle del Hidrógeno” en sus territorios, un proyecto basado en la absorción de hidrógeno del agua utilizando fuentes de energía renovables. Incluye 33 proyectos específicos, entre los que se encuentran la construcción de una instalación subterránea de almacenamiento de hidrógeno en las cuevas de sal en Süwendwing, el establecimiento de una red de estaciones de gas de hidrógeno, la adición de hidrógeno y gas de síntesis a los gasoductos existentes. Shell, Nuon, Engie, BioMCN (fabricante de biometanol),
El Reino Unido está iniciando un proyecto piloto en el que se agregará hidrógeno al gas canalizado utilizado para calefacción. Al principio, este experimento abarcará 130 casas. Si tiene éxito, se ampliará.
En el otro extremo del mundo, en Chile, Enel Green Power lanzó la primera microrred comercial 100% pura basada en hidrógeno en el mundo en 2017. La red está alimentada por un conjunto de dispositivos de almacenamiento híbrido que consisten en una estación de energía solar, como así como un sistema de baterías de hidrógeno y litio.
Gris, azul, verde
A pesar de la vasta geografía y diversidad de estos proyectos, todos ellos se enfrentan a la necesidad de producción industrial de hidrógeno, ya que este gas no ocurre en su forma pura en la naturaleza. La mayoría de estos proyectos consumen energía y no todos permiten evitar la “huella de carbono”, que nuevamente termina con grandes cantidades de emisiones a la atmósfera.
A partir de hoy, el método más popular es la producción de hidrógeno mediante reformado de metano a vapor. El metano puede aislarse del gas natural o sintetizarse del carbón. Este proceso produce el hidrógeno más barato. Un kilogramo de gas así producido costará de 1 a 2 dólares. Sin embargo, conduce a emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera. La emisión de CO2 del reformado de metano a vapor alcanza los 10 kg por kilogramo de hidrógeno. Por lo tanto, este método de producción de hidrógeno a menudo se denomina “gris” en la literatura.
Recientemente, los fabricantes han estado tratando de mejorar esta tecnología mediante la construcción de instalaciones de captura y almacenamiento de dióxido de carbono, lo que convierte los proyectos “grises” en “azules”. Sin embargo, esto lleva a un aumento en los gastos de capital de hasta el 80% y aumenta el costo del hidrógeno resultante aproximadamente una vez y media. Actualmente, se están implementando tres proyectos en el mundo con la integración de sistemas de captura de dióxido de carbono en proyectos de producción de hidrógeno: Port Arthur en los EE. UU., Quest en Canadá y Tomakomai en Japón. Además, la empresa japonesa Kawasaki preparó un proyecto en Australia destinado a la producción de hidrógeno a partir de gas sintético, que a su vez se obtiene en el proceso de gasificación del lignito. El hidrógeno será entregado a Japón por petroleros especiales. El CO2 resultante será capturado y bombeado al depósito. El proyecto es rentable debido al bajo precio del carbón australiano y la simplicidad de su extracción.
Hay otra forma de producir hidrógeno por electrólisis del agua. Esta tecnología produce hidrógeno con una huella de carbono mínima, pero también es intensa en energía. Este método de producción de hidrógeno a menudo se combina con proyectos de energía renovable; dicho hidrógeno se llama “verde”. Según la AIE, en los últimos 10 años, se pusieron en funcionamiento alrededor de 10 MW de células electrolíticas anualmente en el mundo en promedio. En 2018, se pusieron en marcha 20 MW, y para fines de 2020, se espera que comiencen otros 100 MW. Sin embargo, este método tiene varios inconvenientes importantes. Primero, el hidrógeno liberado es muy costoso. Es más de tres veces más caro que el hidrógeno producido por la conversión de metano. Además, el método de electrólisis de hidrógeno requiere grandes gastos de agua. Por lo tanto, la expansión de esta tecnología, Según la AIE, puede requerir hasta 617 millones de metros cúbicos de agua limpia por año. De ninguna manera todas las regiones del mundo pueden permitirse tales volúmenes.
Además, existe la opción de usar hidrógeno en una mezcla con metano. Esto puede reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en un 8-15% en comparación con el uso de metano puro. Un enfoque similar ya se está aplicando en varios países europeos.
“Agregar hidrógeno al metano aumenta la velocidad y la temperatura de combustión de la mezcla de metano e hidrógeno. Esto conduce a una mayor eficiencia de las centrales eléctricas y los motores de combustión interna. Como resultado, se reducen tanto la emisión de carcinógenos a la atmósfera como la emisión de gases de efecto invernadero (CO2)”, explicó Nikolai Baranov, investigador jefe del Instituto Conjunto para Altas Temperaturas del Instituto Global de Energía a la Asociación Global de Energía.
Los estudios realizados por los fabricantes de equipos europeos han demostrado que varios tipos de turbinas de gas industriales modernas ya son capaces de quemar una mezcla de combustible que contiene hasta 50-60% de hidrógeno. Sin embargo, Europa no tiene estándares uniformes que regulen los niveles máximos de hidrógeno en los sistemas de transmisión de gas. Esto dificulta la aplicación masiva de este método.
Por lo tanto, todo el mundo científico continúa buscando formas de reducir el costo de producción de hidrógeno junto con las posibilidades para el uso generalizado de tales tecnologías.
Huella rusa vs. Huella de carbono
Gazprom, la empresa de gas rusa, ha ofrecido al mundo su visión del desarrollo de la producción de hidrógeno, que tiene una serie de ventajas significativas. Se basa en el uso de métodos de pirólisis y plasma-químico, lo que permite la descomposición del metano en hidrógeno y carbono sólido. Este último es un material valioso para los sectores industrial y de la construcción, ingeniería eléctrica y electrónica. A diferencia del dióxido de carbono gaseoso, el carbono sólido no es tóxico y es fácil de almacenar. La emisión de carbono sólido en el proceso de producción de hidrógeno no solo reducirá las emisiones nocivas, sino que también generará ingresos adicionales.
La pirólisis de metano y los métodos químicos de plasma para producir hidrógeno a partir del gas natural no conducen a emisiones directas de CO2. Estos métodos implican el uso de metano, pero dado que la huella de carbono de los suministros de gas de Rusia es mínima, el método de producción de hidrógeno propuesto se puede llamar con seguridad “verde”. Además, se espera que tenga menores costos de energía en comparación con la electrólisis del agua.
Según el jefe del Centro de Tecnologías de Energía de Hidrógeno del Instituto de Energía de Lituania, Darius Milcius , la producción de hidrógeno por pirólisis tiene otra ventaja significativa: el precio del gas así producido es comparable al precio del hidrógeno producido por la conversión de vapor.
“La producción de hidrógeno sin emisiones de CO2 del metano podría ser una solución valiosa para lograr los objetivos climáticos de la UE para 2030 y 2050 a costos más bajos, ya que el costo de producción de hidrógeno utilizando tecnologías de pirólisis puede ser similar al precio del hidrógeno obtenido como resultado de reformado con vapor en combinación con secuestro de CO2. También puede ser casi 3 veces más rentable en comparación con las tecnologías de electrólisis del agua ”, dijo a Global Energy.
Milcius también agregó: “Además, como subproducto de la reacción, sería posible producir negro de carbón costoso y de alta calidad para su uso en diversos campos (industria del caucho, fabricación de plásticos, viviendas, etc.). Obviamente, esto ofrecerá nuevas oportunidades en el mercado. Finalmente, la producción de hidrógeno a partir de metano sin emisiones de CO2 ayudará a mantener los empleos en la industria del petróleo y el gas, al tiempo que creará nuevos empleos relacionados con la producción de hidrógeno en el lugar según sea necesario”.
“La introducción masiva de esta tecnología permitirá producir grandes cantidades de hidrógeno “verde”. Esto a su vez reducirá el costo del hidrógeno por litro o kilogramo y lo hará competitivo en comparación con el hidrógeno obtenido a través del reformado con metano y vapor. El hidrógeno se puede mezclar aún más con el gas natural, formando el llamado Hytano. Esta mezcla de gases tiene mejores características de energía en comparación con el gas natural puro”, Etienne Bouyer, Director Adjunto de la Comisión Francesa de Energías Alternativas y Energía Atómica, dijo a la Global Energy:
“Si tales procesos promovidos por Gazprom permiten alcanzar una alta pureza, entonces podrá abrir nuevos mercados. Un ejemplo en el campo de la movilidad es el despliegue de un gran sistema de celdas de combustible de hidrógeno capaces de conducir trenes en áreas no electrificadas (en lugar de usar locomotoras diesel). Lo mismo es cierto para los buques de carga que también usan combustible de baja calidad para sus motores de calor hoy en día“, agregó Bouyer.
Sin embargo, los expertos dicen que, como cualquier método nuevo, la producción de hidrógeno a través de la tecnología de pirólisis requiere algunas mejoras técnicas. Según Milcius, se requerirá investigación adicional para encontrar un nuevo catalizador altamente eficiente para las reacciones de descomposición de metano en una etapa.
Boyer señala que este método requiere la optimización de los costos de energía y la exploración de las posibilidades de involucrar a las centrales nucleares o fuentes de energía renovables en su implementación. “ La pirólisis o el proceso químico de plasma consume mucha energía, ya que ocurren a temperaturas altas o muy altas (es decir, plasma). Además, la tecnología química de plasma tiene un coeficiente de conversión bastante bajo. Por lo tanto, una condición importante y clave es la disponibilidad de una fuente de energía baja en carbono para la tecnología de pirólisis y plasma, como la energía atómica o las fuentes de energía renovables” , dijo.
Estas tareas pueden resolverse mediante la implementación de proyectos complejos de hidrógeno, desde el sistema de gasoducto desarrollado y la construcción de plantas de energía hasta la expansión del uso de hidrógeno en la economía global.
Nigel Brandon, decano de la Facultad de Ingeniería del Imperial College de Londres, señaló que “el combustible de hidrógeno puede desempeñar un papel importante en la transición a un sistema sin carbono junto con la electricidad baja en carbono, especialmente en sectores de altas emisiones como la industria , industria química y logística de larga distancia”. Por lo tanto, es poco probable que la introducción a gran escala de las tecnologías del hidrógeno sea lenta.
