21/12/2022
Hidrógeno: El camino hacia la descarbonización
La descarbonización es uno de los objetivos marcado por países de todo el mundo de cara a 2050 de modo que se alcance un planeta más sostenible y eficiente energéticamente. De este modo, se pretende dar solución a problemas derivados del uso de los combustibles fósiles tales como la emisión de gases contaminantes a la atmosfera como son SOx, NOx, CO2 entre otros y problemas en suministro y precios.
La situación energética actual ha puesto de manifiesto la necesidad de buscar alternativas al gas y petróleo que garanticen una mayor independencia. En plena transición energética el hidrógeno será una pilar importante de cara a poder descarbonizar todas las áreas de la economía, tal como se establece en la hoja de ruta del hidrógeno.
En esta se identifican las prioridades y recursos necesarios, los principales retos en el desarrollo del hidrógeno renovable y las posibles medidas para superarlos, lo que permitirá el despliegue de este vector energético en España. Este documento está alineado con la Estrategia Anual de Crecimiento Sostenible de 2021 publicada por la Comisión Europea y permitirá posicionar a nuestro país como un referente tecnológico para descarbonizar distintos sectores de la economía.
¿Qué es el hidrógeno?
El hidrógeno es el elemento más abundante y sencillo del universo. Tiene el potencial de proveer de energía a cualquier medio de transporte, así como a edificios y grandes fábricas. El hidrógeno, no es una energía primaria sino un vector energético. Hay que producirlo a partir de una fuente de energía primaria (preferiblemente renovable) y sirve para transportar y almacenar energía. En el caso de que se utilice electricidad procedente de fuentes renovables,, tenemos hidrógeno verde.
Según los datos de la Agencia Internacional de la Energía (AIE), actualmente se consumen en el mundo unos 70 millones de toneladas de hidrógeno. Se utiliza principalmente como reactivo para varios procesos en el sector químico, tales como la producción de amoníaco y el hidrocraqueo y desulfuración de combustibles. Estas aplicaciones representan el 80% de la demanda global.
Una vez producida, la energía química del hidrógeno puede convertirse en otras formas de energía a través de diferentes rutas, dando lugar al concepto de rutas de valorización Power-to-X. El hidrógeno puede convertirse en electricidad (power-to-power), transformarse en metano y/o inyectarse en el gas natural (power-to-gas), servido como materia prima para el sector químico (power-to-industry), convertido en combustibles, por ejemplo, metanol (power-to-fuels)– o para fines de movilidad (power-to-mobility). A través de estos diferentes enfoques, el hidrógeno permite la integración de energías renovables a gran escala y la generación de energía, actuando como un amortiguador para aumentar la flexibilidad del sistema y ayudar a descarbonizar todos los sectores principales de la economía.
Para 2050, la UE estima que el hidrógeno supondrá un 14% del mix energético, una vez alcance la madurez suficiente y pueda desplegarse a gran escala, superando los retos de la tecnología con respecto a su coste, producción o su distribución limitada a través de la red de gas existente.
¿Qué ventajas tiene el hidrógeno?
La utilización de hidrógeno como medio para la transición energética ofrece algunas ventajas, ya que el hidrógeno a diferencia de otros combustible fósiles:
- No produce emisiones de CO2
- Posee una alta densidad energética por unidad de masa
- Requiere una baja energía de activación
- Es extremadamente volátil
- No tóxico
- Posee un alto límite inferior de inflamabilidad y detonación y una alta temperatura de combustión espontánea
- Es muy seguro en espacios abiertos
Tipos de producción de hidrógeno
En la actualidad existen tres fuentes principales para obtener el hidrógeno:
Recursos no renovables o fósiles
Están constituidos por gas natural, petróleo, carbón incluido el uranio.
Recursos renovables
Comprende la energía solar, eólica, hidráulica, geotérmica y la biomasa.
Energía nuclear
Dependiendo del tipo de fuente y el proceso del que se obtiene, el hidrógeno se clasifica en diferentes colores.
Figura 1. Hidrógeno como vector energético. Fuente: Asociación española del hidrógeno, AeH2.
A partir de recursos fósiles
Un 95% del hidrógeno obtenido es a través de otros combustibles, donde la fuente mayoritaría es el gas natural. Esta forma de obtener hidrógeno genera cantidades significativas de CO2, aunque se pueden aplicar sistemas de captura de CO2 (CCS).
Los procesos químicos para obtener hidrógeno a partir de gas natural o carbón son:
- Reformado de vapor: hidrógeno gris
- Oxidación parcial: hidrógeno gris
- Reformado autotérmico: hidrógeno gris
- Gasificación: hidrógeno negro
- Pirólisis: hidrógeno turquesa
- Reformado de vapor/gasificación con captura CO2: hidrógeno azul
A partir de recursos renovables
Tan solo un 4% del hidrógeno es obtenido a partir de fuentes renovables aunque actualmente está experimentando un impulso sin precedentes que podría establecer las bases para hacer realidad su enorme potencial como energía limpia. Los procesos por los que se puede obtener el hidrógeno renovable son los siguientes:
- Electrólisis: con electricidad de red hidrógeno amarillo, renovables (eólica, solar, hidraúlica, biomasa) hidrógeno verde.
- Reformado de vapor: renovables (eólica, solar, hidraúlica, biomasa) hidrógeno verde.
- Gasificación biomasa: renovables (eólica, solar, hidraúlica, biomasa) hidrógeno verde.
A partir de energía nuclear
La producción de hidrógeno mediante energía nuclear ofrece la oportunidad de recortar drásticamente las emisiones de carbono y, al mismo tiempo, incrementar la rentabilidad del sector nucleoeléctrico. Los reactores nucleares de potencia pueden combinarse con una planta de producción de hidrógeno para obtener de modo eficiente energía e hidrógeno en un sistema de cogeneración. El hidrógeno mediante energía nuclear se puede obtener mediante:
- Electrólisis: hidrógeno morado
- Ciclos termoquímicos: hidrógeno morado
Almacenamiento de hidrógeno
El almacenamiento de hidrógeno eficaz es una necesidad para desarrollar una economía basada en el hidrógeno. Este es uno de los retos principales, ya que el hidrógeno es difícil de almacenar. Como gas tiene el 7% de la densidad del aire y como líquido a -253ºC tienen el 7% de la densidad del agua. Así, dependiendo del uso final del hidrógeno, los sistemas de almacenamiento y las condiciones de los mismos deben variar.
Por un lado, se utilizan sistemas estacionarios de almacenamiento, que pueden emplearse en la generación de energía eléctrica y térmica en el sector residencial, generación descentralizada de electricidad, aplicaciones industriales, etc. En estas aplicaciones, los sistemas de almacenamiento de hidrógeno tienen menos limitaciones en cuanto a superficie ocupada, peso y volumen, necesidad de sistemas auxiliares, etc.
Por el contrario, para su uso en automoción presenta grandes restricciones en cuanto a peso y volumen, existiendo unos límites mínimos de cantidad de hidrógeno almacenado que deben alcanzarse para que los vehículos alcancen autonomías equivalentes a los vehículos convencionales tal como establece el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE).
Existen además, otras barreras en cuanto a condiciones de operación y cinética de suministro de hidrógeno, que condicionan su uso combinado con pilas de combustible en automóviles, autobuses, camiones, etc. Es por ello necesario el desarrollo de tecnologías que superen dichas barreras, por ejemplo en mejorar aislamiento, aligeramiento de peso, etc.
Es preciso reseñar que las características del hidrógeno hacen de la seguridad un condicionante principal a la hora de seleccionar un sistema de almacenamiento de hidrógeno. En este sentido, existen diferentes posibilidades que cumplen, en mayor o menor medida, los requisitos para poder trabajar en diferentes situaciones. Estos sistemas de almacenamiento pueden ser:
- gas a presión
- líquido (almacenamiento criogénico)
- hidruros metálicos
- polímeros porosos como, carbón activado, grafito, zeolitas, MOF, COF, etc.
- en forma de compuestos químico (NH3, tolueno, etc.)
- en microesferas de vidrio
De todas estas opciones, actualmente solo las tres primeras presentan la suficiente fiabilidad como para estar presentes en el mercado y poder ser empleadas con garantías. Por tanto, hay un amplio campo de investigación abierto.
Proyectos de AIMPLAS
Desde AIMPLAS queremos dar respuesta a los retos que supone la generación y uso del hidrógeno como combustible renovable y es por ello que trabajamos en diferentes proyectos para atender a las necesidades del sector industrial y así aumentar la posibilidad de aplicación de resultados innovadores obtenidos en las empresas.
Los objetivos que persiguen los diferentes proyectos se basan en:
- Evaluación de vectores energéticos alternativos a los de origen fósil a partir de residuos
- Obtención de hidrógeno selectiva mediante procesos de tratamiento termoquímicos asistidos por catalizadores.
- Diseño y modificación de materiales poliméricos y nanoporosos para almacenar eficientemente diversos vectores energéticos mejorando peso y permeabilidad.
- Diseño de materiales poliméricos y porosos para mejorar el aislamiento y aligeramiento para tanques de hidrógeno líquido.
- Estudio de viabilidad de los desarrollos llevados a cabo para la generación de hidrógeno mediante valorización de residuos plásticos complejos.
Natalia PonsOperaciones de Tecnologías
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