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SOCIEDAD. Por qué es necesaria la producción de hidrógeno "verde"

 

Hyundai de hidrógeno. Fuente: Adan Gautsch

El hidrógeno "verde" es  que se crea utilizando energía renovable en lugar de combustibles fósiles. Tiene el potencial de proporcionar energía limpia para la fabricación, el transporte y más. Y su único subproducto es el agua.

¿De dónde viene el hidrógeno verde?

La energía del hidrógeno es muy versátil, ya que se puede utilizar en forma gaseosa o líquida, convertirse en electricidad o , y hay muchas formas de producirla. Aproximadamente 70 millones de toneladas métricas de hidrógeno ya se producen a nivel mundial cada año para su uso en el refinado de petróleo, producción de amoníaco, fabricación de acero, producción de fertilizantes y químicos, procesamiento de alimentos, metalurgia y más.

Hay más hidrógeno en el universo que cualquier otro elemento; se estima que aproximadamente el 90 por ciento de todos los átomos son hidrógeno. Pero los átomos de hidrógeno no existen en la naturaleza por sí mismos. Para producir hidrógeno, sus átomos deben desacoplarse de otros elementos con los que se encuentran combinados: en el agua, las plantas o los combustibles fósiles. La forma en que se realiza este "desacoplamiento" (rotura de enlaces moleculares) determina la sostenibilidad de la  .

La mayor parte del hidrógeno actualmente en uso se produce a través de un proceso llamado reformado de metano con vapor, que utiliza un catalizador para reaccionar el metano y el vapor a alta temperatura, lo que da como resultado hidrógeno,  y una pequeña cantidad de dióxido de carbono. En un proceso posterior, el monóxido de carbono, el vapor y un catalizador reaccionan para producir más hidrógeno y dióxido de carbono. Finalmente se eliminan el dióxido de carbono y las impurezas, dejando hidrógeno puro. Otros combustibles fósiles, como etanol, propano, gasolina y carbón, también se pueden utilizar en el reformado con vapor para producir hidrógeno. 

Este método de producción, impulsado por combustibles fósiles, produce lo que se conoce como "hidrógeno gris", así como 830 millones de toneladas métricas de emisiones de CO 2 cada año, equivalentes a las emisiones del Reino Unido e Indonesia juntas.

Fuente: parent55

Cuando el CO 2 producido en el proceso de reformado con vapor de metano, se captura y almacena en otro lugar, el hidrógeno producido se denomina "hidrógeno azul".

El hidrógeno también se puede producir mediante la electrólisis del agua, dejando nada más que oxígeno como subproducto. La electrólisis emplea una corriente eléctrica para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno en un electrolizador. Si la electricidad se produce mediante energía renovable, como la solar o la eólica, el hidrógeno libre de contaminantes resultante se denomina hidrógeno verde. La rápida disminución del costo de la energía renovable es una de las razones del creciente interés por el hidrógeno verde.

Por qué se necesita hidrógeno verde

La mayoría de los expertos coinciden en que el hidrógeno verde será fundamental para cumplir los objetivos del Acuerdo de París, ya que hay determinadas partes de la economía cuyas emisiones son difíciles de eliminar. En Estados Unidos, las tres principales fuentes de emisiones que provocan el calentamiento del clima provienen del transporte, la generación de electricidad y la industria.

La eficiencia energética, la energía renovable y la electrificación directa pueden reducir las emisiones de la producción de electricidad y una parte del transporte; pero el último 15 por ciento de la economía, que comprende aviación, transporte marítimo, camiones de larga distancia y fabricación de hormigón y acero, es difícil de descarbonizar porque estos sectores requieren combustible de alta densidad energética o calor intenso. El hidrógeno verde podría satisfacer estas necesidades.

Ventajas del hidrógeno verde

El hidrógeno es abundante y su suministro es prácticamente ilimitado. Se puede utilizar donde se produce o se transporta a otro lugar. A diferencia de las baterías que no pueden almacenar grandes cantidades de electricidad durante períodos de tiempo prolongados, el hidrógeno se puede producir a partir del exceso de energía renovable y almacenarse en grandes cantidades durante mucho tiempo. Libra por libra, el hidrógeno contiene casi tres veces más energía que  , por lo que se necesita menos para realizar cualquier trabajo. Y una ventaja particular del hidrógeno verde es que se puede producir donde haya agua y electricidad para generar más electricidad o calor.

El hidrógeno tiene muchos usosEl hidrógeno verde se puede utilizar en la industria y se puede almacenar en gasoductos existentes para alimentar electrodomésticos. Puede transportar energía renovable cuando se convierte en un portador como el amoníaco, un combustible sin carbono para el transporte marítimo, por ejemplo. El hidrógeno también se puede utilizar con pilas de combustible para alimentar cualquier cosa que utilice electricidad, como vehículos eléctricos y dispositivos electrónicos. Y a diferencia de las baterías, las pilas de combustible de hidrógeno no necesitan recargarse y no se agotarán, siempre que tengan combustible de hidrógeno.

Las pilas de combustible funcionan como baterías: se alimenta hidrógeno al ánodo, se alimenta oxígeno al cátodo; están separados por un catalizador y una membrana de electrolito que solo permite que los protones cargados positivamente pasen al cátodo. El catalizador separa los electrones cargados negativamente del hidrógeno, lo que permite que los protones cargados positivamente pasen a través del electrolito hasta el cátodo. Mientras tanto, los electrones viajan a través de un circuito externo, creando electricidad que se puede poner en funcionamiento, para encontrarse con los protones en el cátodo, donde reaccionan con el oxígeno para formar agua.

El hidrógeno se utiliza para impulsar vehículos con pilas de combustible de hidrógeno. Debido a su eficiencia energética, una pila de combustible de hidrógeno es de dos a tres veces más eficiente que un motor de combustión interna alimentado por gas. Y el tiempo de repostaje de un vehículo eléctrico de pila de combustible es de menos de cuatro minutos en promedio.

Debido a que pueden funcionar independientemente de la red, las celdas de combustible se pueden utilizar en el campo militar o en zonas de desastre y funcionar como generadores independientes de electricidad o calor. Cuando se fijan en su lugar, se pueden conectar a la red para generar energía confiable y constante.

Los desafíos del hidrógeno verde

Su inflamabilidad y su ligereza hacen que el hidrógeno, al igual que otros combustibles, deba manipularse adecuadamente. Muchos combustibles son inflamables. En comparación con la gasolina,  y el propano, el hidrógeno es más inflamable en el aire. Sin embargo, las bajas concentraciones de hidrógeno tienen un potencial de inflamabilidad similar al de otros combustibles. Dado que el hidrógeno es tan liviano, aproximadamente 57 veces más liviano que los vapores de gasolina, puede dispersarse rápidamente a la atmósfera, lo cual es una característica de seguridad positiva.

Debido a que el hidrógeno es mucho menos denso que la gasolina, es difícil de transportar. Es necesario enfriarlo a -253˚C para licuarlo o debe comprimirse a 700 veces la presión atmosférica para que pueda entregarse como gas comprimido. Actualmente, el hidrógeno se transporta a través de tuberías dedicadas, en camiones cisterna para líquidos de baja temperatura, en remolques de tubo que transportan hidrógeno gaseoso, o por ferrocarril o barcaza.

En la actualidad, por ejemplo, 1.600 millas de tuberías de hidrógeno suministran hidrógeno gaseoso en los EE.UU., principalmente en áreas donde el hidrógeno se usa en plantas químicas y refinerías, pero eso no es suficiente infraestructura para acomodar el uso generalizado de hidrógeno.

Las tuberías de gas natural a veces se utilizan para transportar solo una cantidad limitada de hidrógeno porque el hidrógeno puede hacer que las tuberías de acero y las soldaduras se vuelvan quebradizas y causar grietas. Cuando se mezcla menos del 5 al 10 por ciento con el gas natural, el hidrógeno se puede distribuir de forma segura a través de la infraestructura de gas natural. Para distribuir hidrógeno puro,  requerirían modificaciones importantes para evitar la posible fragilización de las tuberías metálicas, o sería necesario construir tuberías de hidrógeno completamente separadas.

La tecnología de las pilas de combustible se ha visto limitada por el alto coste de las pilas de combustible porque el platino, que es caro, se utiliza en el ánodo y el cátodo como catalizador para dividir el hidrógeno. Se están realizando investigaciones para mejorar el rendimiento de las pilas de combustible y encontrar materiales más eficientes y menos costosos. Un desafío para los vehículos eléctricos de celda de combustible ha sido cómo almacenar suficiente hidrógeno (de cinco a 13 kilogramos de gas de hidrógeno comprimido) en el vehículo para alcanzar la autonomía de conducción convencional de 500-600 kilómetros.

El mercado de vehículos eléctricos de pila de combustible también se ha visto obstaculizado por la escasez de estaciones de servicio y el coste por litro de combustible en comparación con la gasolina (más del doble).

Todo se reduce al costo

Los diversos obstáculos que enfrenta el hidrógeno verde en realidad se pueden reducir a uno solo: el costo. Julio Friedmann, investigador principal del Centro de Política Energética Global de la Universidad de Columbia, cree que el único desafío real del hidrógeno verde es su precio. El hecho de que se produzcan 70 millones de toneladas de hidrógeno cada año y que se envíe en tuberías por todo Estados Unidos muestra que los problemas técnicos de la distribución y el uso de hidrógeno son "sencillos y razonablemente bien entendidos".

El problema es que el hidrógeno verde actualmente cuesta tres veces más que el gas natural. Y producir hidrógeno verde es mucho más caro que producir hidrógeno gris o azul porque la electrólisis es cara, aunque los precios de los electrolizadores están bajando a medida que aumenta la producción. Actualmente, el hidrógeno gris cuesta alrededor de € 1,50 euros ($ 1,84 USD) por kilogramo, el azul cuesta entre € 2 y € 3 por kilogramo y el verde cuesta € 3,50 a € 6 por kilogramo, según un estudio reciente.

Friedmann detalló tres estrategias que son clave para bajar el precio del hidrógeno verde para que más gente lo compre:

  1. Apoyo a la innovación en la producción y el uso de hidrógeno novedoso. Señaló que el proyecto de ley de estímulo que acaba de aprobar el Congreso que brinda este apoyo ayudará a reducir el costo de las celdas de combustible y la producción de hidrógeno verde en los próximos años.
  2. Soportes de precios para el hidrógeno, como un crédito fiscal a la inversión o un crédito fiscal a la producción similares a los establecidos para la energía eólica y solar, que ayudaron a bajar sus precios.
  3. Un estándar regulatorio para limitar las emisiones. Por ejemplo, la mitad del amoníaco que se usa en la actualidad se destina a la producción de fertilizantes. "Si dijéramos, 'tenemos un estándar de emisión para el amoníaco con bajo contenido de carbono", entonces la gente comenzaría a usar hidrógeno con bajo contenido de carbono para producir amoníaco, que no lo es hoy, porque cuesta más ", dijo Friedmann." Pero si lo tiene un reglamento que dice que tienes que hacerlo, luego lo hace más fácil. ”Otra opción regulatoria es que el gobierno podría decidir adquirir hidrógeno verde y requerir que todos los combustibles militares se fabriquen con un cierto porcentaje de hidrógeno verde.

El futuro del hidrógeno verde

Un estudio de McKinsey estimó que para 2030, la economía del hidrógeno de EE.UU. podría generar $ 140 mil millones y respaldar 700.000 empleos.

Friedmann cree que habrá un uso sustancial de hidrógeno verde durante los próximos cinco a diez años, especialmente en Europa y Japón. Sin embargo, cree que los límites de la infraestructura existente se alcanzarán muy rápidamente, tanto la infraestructura de tuberías como las líneas de transmisión, porque la producción de hidrógeno verde requerirá aproximadamente un 300 por ciento más de capacidad eléctrica de la que tenemos ahora. "Llegaremos a los límites de la fabricación de electrolizadores, de la infraestructura eléctrica, de la capacidad de los puertos para fabricar y enviar el material, de la velocidad a la que podríamos modernizar las industrias", dijo. "No tenemos el capital humano y no tenemos la infraestructura. Tomará un tiempo hacer estas cosas".

Muchos expertos predicen que pasarán 10 años antes de que veamos una adopción generalizada del hidrógeno verde; Friedmann, sin embargo, sostiene que esta proyección a 10 años se basa en una serie de supuestos. "Se basa en la fabricación masiva de electrolizadores, lo que no ha sucedido en ningún lugar del mundo", dijo. "Se basa en una serie de cambios de política que no se han realizado para respaldar los mercados. Se basa en un conjunto de cambios de infraestructura impulsados ​​por esos mercados".

Hay varios proyectos de energía verde en los EE. UU. Y en todo el mundo que intentan abordar estos desafíos y promover la adopción del hidrógeno. Aquí están algunos ejemplos.

1. California invertirá 230 millones de dólares en proyectos de hidrógeno antes de 2023; y el proyecto de hidrógeno verde más grande del mundo está siendo construido en Lancaster, CA por la compañía energética SGH2. Esta innovadora planta utilizará gasificación de residuos, quemando 42.000 toneladas de residuos de papel reciclado anualmente para producir hidrógeno verde. Debido a que no utiliza electrólisis ni  , su hidrógeno será competitivo en costos con el hidrógeno gris.

Una nueva Alianza del Hidrógeno de los Estados del Oeste, formada por líderes en la industria de las pilas de combustible y el hidrógeno de servicio pesado, está presionando para desarrollar e implementar tecnología e infraestructura de  en 13 estados del oeste.

2. Hydrogen Europe Industry, una asociación líder que promueve el hidrógeno, está desarrollando un proceso para producir hidrógeno puro a partir de la gasificación de biomasa de residuos de cultivos y bosques. Debido a que la biomasa absorbe dióxido de carbono de la atmósfera a medida que crece, la asociación sostiene que produce relativamente pocas emisiones netas de carbono.

3. Breakthrough Energy , cofundada por Bill Gates, está invirtiendo en una nueva empresa de investigación y desarrollo de hidrógeno verde llamada Centro Europeo de Aceleración de Hidrógeno Verde. Su objetivo es cerrar la brecha de precios entre las tecnologías actuales de combustibles fósiles y el hidrógeno verde. Breakthrough Energy también ha invertido en ZeroAvia, una empresa que desarrolla la aviación impulsada por hidrógeno.

4. En diciembre, la ONU lanzó la Iniciativa Green Hydrogen Catapult, que reúne a siete de los desarrolladores de proyectos de hidrógeno verde más grandes del mundo con el objetivo de reducir el costo del hidrógeno verde a menos de $ 2 por kilogramo y aumentar la producción de hidrógeno verde 50 veces para 2027. .

En última instancia, si el hidrógeno verde cumple o no su promesa y su potencial depende de cuánto estén dispuestos a invertir en él los fabricantes de automóviles, los desarrolladores de estaciones de servicio, las empresas de energía y los gobiernos durante los próximos años.

Pero debido a que no hacer nada sobre el calentamiento global no es una opción, el hidrógeno verde tiene un gran potencial porque aborda las partes más difíciles del problema: la industria y el transporte pesado. Es interesante, porque los costes están bajando. Y hay muchas formas de producir hidrógeno sin carbono, azul y verde. Incluso podemos producir hidrógeno de carbono negativo con biohidrógeno. Hace veinte años, realmente no teníamos la tecnología ni los medios para hacerlo. A ahora sí.

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- Hidrógeno verde.

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