Aplicaciones del hidrógeno verde en los sectores difíciles de descarbonizar

abril 26, 2023

El hidrógeno verde es un vector energético que tiene el potencial de descarbonizar los denominados sectores difíciles de mitigar. Este artículo describe brevemente la transición energética, el hidrógeno verde y su potencial rol en la descarbonización de la industria pesada, petroquímica y el transporte pesado y de larga distancia.

Por Felipe Bastarrica, director ejecutivo del Observatorio de Energía y Desarrollo Sustentable (UCU)

TRANSICIÓN ENERGÉTICA

Uruguay es un caso de ejemplo a nivel mundial en lo que respecta a la descarbonización (reducción de emisiones de dióxido de carbono para detener el calentamiento global) de la matriz eléctrica (la denominada primera transición energética). Mediante la integración de capacidad de generación a partir de fuentes eólica, solar y biomasa, sumada a la capacidad hidroeléctrica existente, el país logró generar 97% de la energía eléctrica con fuentes renovables en el período 2017-2020 [1].

Diversas políticas están siendo promovidas en el país para descarbonizar el remanente de la matriz energética (la denominada segunda transición energética). Entre las mismas se destacan la eficiencia energética y la sustitución de consumos de combustibles fósiles por energía eléctrica. Esta sustitución (también denominada electrificación) puede ser directa o indirecta.

Algunas frutas al alcance de la mano en el primer grupo son la electromovilidad y la promoción de aire acondicionado (Split) y bombas de calor para sustituir calefacción a gas licuado de petróleo (GLP) y gas natural. El segundo grupo, que suele denominarse power-to-X o PtX, es un poco más complejo, buscando producir combustibles sintéticos o vectores energéticos a partir de energía eléctrica para, luego, sustituir un consumo fósil.

Un caso de electrificación indirecta que ha ganado particular atención en los últimos años, si bien es un gas que se utiliza en procesos industriales desde hace más de un siglo, es el hidrógeno.

Electrolizador alcalino de pequeña escala (600 kW). Gentileza: Felipe Bastarrica

HIDRÓGENO VERDE

Se denomina hidrógeno verde a aquel producido mediante electrólisis de agua, siempre y cuando la electricidad sea generada a partir de fuentes renovables, principalmente eólica y solar fotovoltaica. El adjetivo verde es una metáfora para destacar esto último, pero el gas en sí es incoloro. La discusión acerca de los beneficios y riesgos de otros “colores del espectro del hidrógeno” exceden el propósito de este artículo.

Existen diversas tecnologías de electrolizadores, aunque en la actualidad solo dos se encuentran disponibles a escala comercial: alcalinos y de membrana de intercambio protónico (PEM). Si bien los primeros son convenientes en materia de costos, los segundos se complementan mejor con la intermitencia de las fuentes renovables no convencionales, ya que pueden retomar producción rápidamente si son apagados [2].

El electrolizador separa la molécula de agua (H2O) en hidrógeno (H2) y oxígeno (O). El hidrógeno obtenido se encuentra en estado gaseoso, y en la mayoría de los casos prácticamente a presión atmosférica. Debido a su baja densidad energética volumétrica (pero elevada densidad energética gravimétrica), es comprimido para ser almacenado y eventualmente transportado. El proceso dependerá del uso que se vaya a dar al hidrógeno, existiendo diversas tecnologías de compresión y almacenamiento. Los tanques de almacenamiento permiten almacenar hidrógeno comprimido entre 25 y 700 bar si son transportables (tube trailers), o hasta 1000 bar si son estáticos.

APLICACIONES EN SECTORES DIFÍCILES DE DESCARBONIZAR

Si bien el hidrógeno tiene diversas aplicaciones, uno de los principales argumentos utilizados para promocionarlo es el potencial de reducir las emisiones de dióxido de carbono (CO2) en lo que suele denominarse sectores difíciles de descarbonizar o mitigar (hard-to-abate). Otras aplicaciones, como en el sector eléctrico, también pueden tomar relevancia en el futuro, pero exceden el propósito de este artículo.

La industria petroquímica es difícil de descarbonizar dado que los combustibles fósiles son utilizados como insumo químico (feedstock) y, por tanto, los electrones no son sustituto. En algunos casos, los procesos ya consumen hidrógeno. La refinación de petróleo y la producción de amoniaco y metanol son algunos ejemplos. Actualmente el mismo es producido prácticamente en su totalidad a partir del reformado de metano o la gasificación del carbón, con significativas emisiones de CO2 asociadas. Se espera un rol importante de estos últimos, si el proceso implementa hidrógeno verde y CO2 de origen biogénico para producir combustibles sintéticos verdes (electrofuels, o e-fuels): e-metanol, e-amoniaco (requiriendo previamente nitrógeno y eventualmente produciendo otros fertilizantes verdes), e-jetfuel, entre otros [3].

Hidrolinera (estación de carga de hidrógeno). Gentileza: Felipe Bastarrica

Por otro lado, están los sectores donde el consumo fósil es con fin energético, pero no es fácil (o posible) electrificarlo. Este es el caso de la industria pesada que requiere elevadas temperaturas. El cracking de vapor para producir etileno requiere temperaturas mayores a 1000 °C y los hornos de fundición (BOF) para producir acero requieren temperaturas superiores a 1500 °C, que actualmente son obtenidas quemando coque de carbón [4]. Esta última industria también utiliza combustibles fósiles como insumo en la reacción química, en la ruta de reducción directa de hierro (DRI) utilizando metano o carbón, que luego es volcado en hornos de arco eléctrico (EAF). La reducción de hierro con hidrógeno (HDR) tiene el potencial de descarbonizar el DRI, aunque se encuentra en etapa de desarrollo [5].

También hay pruebas exitosas en la industria de cemento donde el hidrógeno verde se combina con otros energéticos como biomasa y plasma para sustituir el coque de petróleo que actualmente consumen los hornos, aunque también estas tecnologías se encuentran en desarrollo [6]. En el sector de transporte pesado y de larga distancia, la optimización del espacio y peso para carga, sumado a un requerimiento elevado de autonomía, dificulta la electrificación en algunas aplicaciones.

El sector marítimo está impulsando barcos a hidrógeno y derivados como amoniaco y metanol verde, ante la necesidad de sustituir el consumo de fuel oil marino (bunker). Por su parte, el sector de aviación está desarrollando combustibles de aviación sustentables (SAF) para sustituir el queroseno (jetfuel), pero también el hidrógeno puede jugar un rol en aviones a pilas de combustible o combustión directa en el futuro [7].

Respecto al transporte terrestre, se están implementando proyectos de trenes, camiones y ómnibus de largo recorrido que sustituyen gasoil por hidrógeno en vehículos de pila de combustible (FCEV). Este sí es un sector que compite directamente con la electrificación, por lo que la penetración del hidrógeno dependerá de los avances tecnológicos y ganancias de escala en ambos sectores, entre otros.

En la actualidad se demandan aproximadamente 94 toneladas de hidrógeno por año a nivel global. Diversos estudios proyectan que la cantidad puede aumentar entre cinco y ocho veces hacia 2050. También estiman que el hidrógeno y sus derivados podrían llegar a representar entre 12% y 22% de la demanda final de energía (actualmente 0%) [8].

Ya ha habido en el pasado intentos (no exitosos) de posicionar al hidrógeno como vector energético. Si esta vez logrará despegar o no, dependerá de los avances tecnológicos y de la ambición de las políticas energéticas y climáticas. Estas deberán contemplar límites y mecanismos de fijación de precios para las emisiones, y subsidios de gastos de capital, si se quiere lograr paridad de precios con los combustibles fósiles.