"El hidrógeno verde puede almacenar y transportar energía renovable"

Compartimos con vosotros esta entrevista a Carlos Valverde, ingeniero de Minas  y colaborador del Comité de Energía del Instituto de Ingeniería de España.

Revista PQ.- ¿Qué papel desempeña el hidrógeno verde en el proceso de descarbonización del planeta?

Carlos Valverde.- El hidrógeno verde juega un papel fundamental en la descarbonización de la economía gracias a sus factores diferenciales. En primer lugar, su capacidad de reemplazar a los combustibles fósiles con cero emisiones, ya que no emite gases de efecto invernadero, ni efluentes contaminantes. 

Además, el hidrógeno tiene una alta densidad energética, es decir, una gran cantidad de energía por unidad de masa, mientras que sus materias primas son agua y energía renovable *. Esto lo convierte en una alternativa prácticamente infinita, a diferencia de los combustibles fósiles que son limitados. El hidrógeno es una solución óptima para aplicaciones donde la electrificación es difícil o no es práctica ni rentable.

“La creciente demanda de energía renovable 
y las necesidades de descarbonizar estimulan la inversión en tecnologías de hidrógeno verde”

En segundo lugar, el hidrógeno verde tiene la capacidad de funcionar como un vector energético, lo que permite almacenar y transportar energía renovable. Aunque el almacenamiento energético ha sido objeto de estudio y desarrollo durante muchos años, sigue sin ser una solución sostenible para las industrias debido a su alto coste de inversión, sus restricciones geográficas y limitaciones de escalabilidad, la eficiencia end-to-end, los ciclos de carga y descarga, la vida útil y el impacto ambiental. 

Cada forma de almacenamiento de energía tiene sus ventajas e inconvenientes, pero hoy en día no existe prácticamente ninguna que satisfaga las necesidades de la industria de manera económica y sostenible. 

Actualmente, el hidrógeno verde tiene también sus limitaciones como vector energético, no obstante, se está posicionando para convertirse en una alternativa para añadir valor a un potencial mix de dote de flexibilidad al sistema eléctrico, que será necesario con la descarbonización del sector eléctrico.

En tercer y último lugar, el hidrógeno verde presenta menos restricciones geográficas que los combustibles fósiles, siempre que se cuente con acceso a energía renovable y agua. Esto puede minimizar los riesgos geopolíticos y económicos relacionados con la generación de energía eléctrica y ayudar a aumentar la independencia energética de muchos países.

* en el caso del hidrógeno verde obtenido por electrólisis del agua.

Revista PQ.- ¿Hasta qué punto el desarrollo de las energías renovables ha dado un impulso al hidrógeno verde?

C.V.- El despliegue de las energías renovables ha jugado un papel importante en el desarrollo del hidrógeno verde, ya que existe una correlación directa, positiva y alta entre el coste de producción de hidrógeno verde y el coste de la energía renovable.

La expansión de la energía renovable contribuye a que sea más rentable producir hidrógeno verde. A medida que el coste de las tecnologías de energía renovable continúe disminuyendo a lo largo de los años, también lo hará el coste de producción de hidrógeno verde.

En la actualidad, la creciente demanda de energía renovable y las necesidades de descarbonización estimulan la inversión en tecnologías de hidrógeno verde. Muchos países y empresas buscan hacer la transición a una economía baja en carbono y reducir sus emisiones de gases de efecto invernadero. En este contexto, el hidrógeno verde ofrece una forma de lograr este objetivo en sectores como el transporte y la industria.

Revista PQ.- ¿Cuál es el proceso para obtener hidrógeno verde en la actualidad?

C.V.- El hidrógeno verde se produce a través de un proceso llamado electrólisis, que consiste en disociar las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno mediante una corriente eléctrica proveniente de fuentes renovables. Primero, se recolecta y purifica el agua para eliminar las impurezas que podrían interferir con el proceso de electrólisis. El proceso de purificación consiste en etapas en cascada de filtración, para eliminar sólidos en suspensión, y procesos de osmosis inversa o intercambio iónico para eliminar los sólidos en disolución.

Esta agua purificada es conducida a las celdas de electrólisis, que se utilizan para dividir las moléculas de agua. Estas celdas contienen un ánodo (electrodo cargado positivamente) y un cátodo (electrodo cargado negativamente), que están separados por una solución electrolítica y un diafragma en caso de electrolisis alcalina o de una membrana polimérica en caso de la electrolisis PEM (Proton Exchange Membrane). 

Se hace pasar una corriente eléctrica, de origen renovable, a través del agua entre el ánodo y el cátodo. Esto hace que las moléculas de agua se disocien en iones de hidrógeno (protones) e iones de hidróxido (OH-). Los iones de hidrógeno con carga positiva son atraídos por el cátodo con carga negativa y se mueven hacia él, mientras que los iones de hidróxido con carga negativa se mueven hacia el ánodo con carga positiva.

En el cátodo, los iones de hidrógeno se combinan con los electrones de la corriente eléctrica para formar hidrógeno gaseoso (H2). Mientras tanto, en el ánodo, los iones de hidróxido ceden electrones a la corriente eléctrica y forman gas oxígeno (O2). El hidrógeno gaseoso se recoge, se separa y se seca en función del uso final, para finalmente almacenarlo si fuese necesario.

Revista PQ.- Una de las principales vías en el proceso de descarbonización es la electrificación. ¿Qué ocurrirá con los sectores de difícil electrificación?

C.V.- La electrificación es sin duda una de las formas más eficientes de descarbonizar muchas industrias, pero hay ciertas industrias y procesos que son difíciles de electrificar debido a desafíos técnicos, económicos o logísticos. Ejemplos de tales industrias incluyen, entre otros, la aviación, el transporte marítimo, el transporte pesado y ciertos procesos industriales que requieren calor a alta temperatura.

Para estos sectores, pueden ser necesarias estrategias alternativas de descarbonización. Una solución muy prometedora es el uso de combustibles bajos en carbono, como el hidrógeno verde, los biocombustibles o los combustibles sintéticos sostenibles, como el e-SAF o e-metanol, que se pueden producir utilizando fuentes de energía renovables y pueden proporcionar densidades de energía y propiedades similares a las de los combustibles fósiles. Estos combustibles se pueden utilizar en motores de combustión, turbinas, hornos o pilas de combustible, que pueden ofrecer una alta eficiencia y bajas emisiones.

“España tiene un gran potencial para convertirse en un importante productor de hidrógeno verde”

Otro enfoque es seguir utilizando combustibles fósiles incluyendo en sus procesos el uso de tecnologías de captura, utilización y almacenamiento de carbono (CCUS). Dichos procesos pueden capturar y almacenar las emisiones de carbono de los procesos industriales. CCUS se puede combinar con otras estrategias de descarbonización para reducir significativamente las emisiones de industrias difíciles de electrificar. Esto no será una solución válida en industrias en las que no se pueda capturar las emisiones. 

Estas soluciones incluirán intrínsicamente los posibles riesgos regulatorios y una potencial afectación de la evolución de los mercados de emisión de CO2. Aunque es una alternativa en debate hoy en día, se debe tener en cuenta que sigue implicando la extracción, licuefacción (en caso del GNL) y transporte de gas natural, por lo que a nivel de emisiones de GEI (Gases de Efecto Invernadero), la huella sigue siendo elevada.

Además, hay un enfoque cada vez mayor en la economía circular y la eficiencia de los recursos en la industria, lo que puede ayudar a reducir la huella de carbono general de estas industrias. Esto incluye estrategias como el reciclaje, la reutilización de materiales y la optimización de procesos para minimizar los desechos y las emisiones. Por supuesto, cada vez se hace más hincapié en todas las actuaciones de eficiencia energética en la industria.

En general, el futuro de las industrias difíciles de electrificar requerirá una combinación de diferentes estrategias de descarbonización adaptadas a los desafíos y oportunidades específicos de cada sector.

Revista PQ.- Los recursos renovables en España tienen mucho peso, pero… ¿tenemos infraestructura para la generación de hidrógeno verde?

C.V.- Sí, España tiene un gran potencial para convertirse en un importante productor de hidrógeno verde. Cuenta con recursos naturales abundantes, especialmente para la generación de energía solar y eólica, que son fuentes de energía económicas. La radiación solar es alta en gran parte del país, lo que lo convierte en un lugar ideal para la generación de energía solar fotovoltaica. 

Además, el país tiene una extensa costa y un gran potencial para la energía eólica, que es otra fuente de energía renovable económica. Esto se traduce en un mayor factor de utilización de las infraestructuras de generación renovable, lo que a su vez se traduce en una mayor producción de energía para el mismo nivel de inversión. Todo esto, contextualizado en un mercado de energías renovables ya maduro, reduce el riesgo de la inversión y optimiza la bancabilidad de los proyectos.

Como hemos visto anteriormente, las materias primas necesarias para la producción de hidrógeno verde son la energía renovable, que en España no representa el recurso limitante en comparación con otros países, y los recursos hídricos que, como se expone a continuación, son suficientes en nuestro país para el desarrollo sostenible del hidrógeno verde.

Aunque el agua es un recurso casi infinito a nivel global, en ciertas localizaciones regionales puede representar limitaciones. Es conveniente señalar que la electrolisis consume alrededor de 16 l de agua bruta por kg de hidrógeno producido. 

En una localización aleatoria de la submeseta norte de España, se pueden producir aproximadamente 49,000 kgH2/MW (electrolisis), lo que implicaría un consumo de alrededor de 0.78 Hm3/GW (electrolisis) en España. Con lo que, acorde con la Hoja de Ruta del Hidrógeno española publicada en junio de 2020, la esperada instalación de 4 GW de electrolizadores para 2030 implicaría un consumo aproximado de 3.12 Hm3.

Contextualizando estos consumos con otros sectores, según WWF (***) se consumen unos 29,000 Hm3/año en España para atender todas las demandas (el 80% para el riego de cultivos) frente a los 99,000 Hm3/año de aportación media que reciben los ríos, embalses y acuíferos. 

Por tanto, no parece arriesgado afirmar que el consumo esperado de agua para la generación de hidrógeno tampoco será un factor limitante en España y que el sector podrá crecer según lo esperado y, por supuesto, de una manera sostenible.