Ventajas e inconvenientes del hidrógeno como combustible alternativo

El hidrógeno es la eterna promesa de los combustibles alternativos a aquellos fósiles y emisores de gases de efecto invernadero. A pesar de su enorme potencial, se trata de un combustible difícil de obtener, pues no se encuentra de forma aislada en la naturaleza. ¿Es viable un modelo energético basado en este elemento?

Un coche utiliza en Varsovia Polonia una hidrogenera en el año 2015.

Un coche utiliza en Varsovia Polonia una hidrogenera en el año 2015.

Foto: CordonPress

Un vehículo Mercedes-Benz se recarga de hidrógeno en una feria del motor.

El hidrógeno es, en principio, la panacea de los combustibles alternativos: puede almacenarse en estado gaseoso o líquido y distribuirse a través de gasoductos, pudiendo ser un sustituto del gas natural, y no emite gases de efecto invernadero en su combustión. Entonces, ¿cómo es posible que no se haya convertido ya en la alternativa estrella en nuestro camino hacia un modelo energético sostenible?

El problema hay que buscarlo en el coste y en la dificultad de producción. Para empezar, a pesar de ser uno de los elementos más abundantes de la Tierra, el hidrógeno no es fácil de obtener, pues no encontrarse de forma aislada en la naturaleza, sino que se genera a partir de otras sustancias que lo contienen, entre ellos el agua, el carbón y el gas natural. La forma ideal de producirlo sería obtenerlo directamente del agua –una sustancia presente en el 70% del planeta–, para lo cual sería necesario llevar a cabo un proceso denominado electrólisis, que consiste en la descomposición de las moléculas de agua (H2O), en oxígeno (O2) e hidrógeno (H2). Sin embargo, generalmente es este un proceso costoso para el que se necesita mucha energía eléctrica -que en la mayoría de los casos no procede de fuentes renovables- para alimentar los electrolizadores.

La forma ideal de producirlo sería obtenerlo directamente del agua –una sustancia presente en el 70% del planeta–, para lo cual sería necesario realizar la electrólisis de la molécula de H2O.

La dificultad para obtener hidrógeno 100% limpio ha llevado a los productores a clasificar el producto resultante en función de su valor sostenible. De este modo, el hidrógeno gris, el más utilizado actualmente -por ejemplo, en la industria química o en las grandes refinerías de petróleo- es el menos respetuoso con el medio ambiente, pues su generación sigue requiriendo de combustibles fósiles. Como alternativa, el 'hidrógeno azul o bajo en carbono' sigue requiriendo de combustibles fósiles, pero emite menos carbono, pues este se retira con un método llamado ‘captura y almacenamiento’. La opción más ecológica es el 'hidrógeno verde', producido a partir de energías renovables, una alternativa 100% sostenible que, sin embargo, es la menos común del mercado.

En función de su sostenibilidad existen tres tipos distintos de hidrógeno: hidrógeno gris, hidrógeno azul e hidrógeno verde.

El hidrógeno limpio y las energías renovables

Según una investigación realizada por la Universidad Stanford y la Universidad Técnica de Múnich, la producción de hidrógeno podría ser rentable si se utilizase todo el exceso de energía renovable que no se consume, y que, por tanto, no puede almacenarse. La clave, según el estudio, es que el rendimiento de las energías renovables es intermitente, con lo que el suministro de electricidad a partir de estas fuentes también es variable. A veces es insuficiente para satisfacer la demanda, mientras que en ocasiones se produce demasiada y se pierde, o bien se deja de producir, ya que no se puede almacenar en el momento.

Este problema se debe, según Javier Brey, presidente de la Asociación Española del Hidrógeno, al funcionamiento propio del sector eléctrico, que solo produce la electricidad que va a ser consumida, lo que se traduce en un desaprovechamiento de la energía que deja de producirse solo porque en ese momento no hay demanda. Tal y como explica el propio Brey, esta complicación se hace aún mayor a medida que aumenta el porcentaje de energía renovable en el mix eléctrico, algo que podría acabarse con un sistema de almacenamiento a gran escala basado en el hidrógeno. Así, en aquellos momentos en los que la capacidad de producción eléctrica renovable exceda la demanda, en lugar de parar esas instalaciones, la electricidad se derivaría a parques de electrolizadores, donde se produciría y almacenaría el hidrógeno para luego volverlo a transformar en electricidad mediante el uso de pilas de combustible. De este modo -sostiene Brey- el hidrógeno facilitaría al mismo tiempo la penetración de las energías renovables.

Un sistema de almacenamiento a gran escala basado en el hidrógeno podría permitir almacenar la energía renovable excedente para usarse posteriormente.

Un operario trabaja en Asia  controlando los tanques de gas.

Un operario trabaja en Asia controlando los tanques de gas.

Foto: CordonPress

¿Cuánto cuesta producir hidrógeno?

Una investigación publicada recientemente en la revista especializada Nature Energy se propuso cuantificar el coste de producción de hidrógeno a partir energía eléctrica (empleando electrólisis) para determinar si se trataba o no de una alternativa viable desde el punto de vista comercial. Para ello, los investigadores recopilaron datos sobre los costes y precios del hidrógeno y los compararon con los precios de la electricidad en el mercado mayorista y datos de generación de energía eólica durante un año entero en Alemania y Estados Unidos. Su conclusión fue que los sistemas híbridos (de generación de hidrógeno a partir de energía renovable, generalmente eólica o solar), pueden llegar a ser rentables a partir de los 3,23 euros el kilo. El mismo estudio apuntaba, sin embargo, que los costes de los electrolizadores están disminuyendo considerablemente, lo que podría abaratar de forma considerable el gasto asociado a la generación de hidrógeno con energía procedente de fuentes renovables, algo que supondría un "pleno al quince" en materia de sostenibilidad energética.

De hecho, según el presidente de la Asociación Española del Hidrógeno, Javier Brey, ya es perfectamente viable. "La electrólisis es el segundo método de producción de hidrógeno a escala industrial de todo el mundo. Además, es un método limpio, cuyo coste resulta proporcional al de la energía eléctrica empleada en su producción". Para el experto, valores inferiores a los 2,5 céntimos por kWh nos dan precios de unos 2,5 euros por kilogramo, lo que lo convierte en "una solución viable para la "descarbonización" de sectores como el industrial, del transporte o la energía".

La alternativa: generación de hidrógeno a partir del gas natural

Aun así, existe una vía más económica de generar hidrógeno: manipulando el gas natural. Este proceso es conocido como 'reformado de metano', y podría ser una alternativa viable para la transición energética. El problema radica en que este sistema no acaba con la dependencia energética, pues generalmente se basa en combustibles fósil (el gas natural). Para deshacerse de ese carbono remanente, los productores de hidrógeno recurren al método de 'captura y almacenamiento de carbono', una técnica que permite 'inyectar' bajo tierra este exceso de este contaminante, lo cual daría como resultado el llamado 'hidrógeno azul'. "Solo el 5% de la producción total de hidrógeno procede de la electrólisis -aseguraba Nils Anders Røkke, ingeniero mecánico y líder de SINTEF, una organización independiente que lleva más de 40 años investigando sobre prácticas sostenibles en el sector industrial, en una entrevista reciente. "Por ello, si queremos avanzar hacia una economía 100% sostenible, será necesario impulsar de forma paralela la generación de hidrógeno a partir del gas natural", explicaba este especialista que augura que el 'hidrógeno azul' se irá incrementando a lo largo del tiempo en el viejo continente.

El "reformado de metano" es un proceso más barato para generar hidrógeno a partir del gas natural y podría convertirse en una alternativa para la transición energética.

Justo Lobato, catedrático de Ingeniería Química de la Universidad de Castilla la Mancha, se muestra optimista con respecto a los incentivos de la producción de hidrógeno limpio. Para ello nos remite a un informe de la Agencia Internacional de la Energía datado del mes de abril de 2019, en el que se señala que los costes de producción de este elemento cambiarán en un futuro no muy lejano. El hidrógeno gris -argumenta- cuesta actualmente unos 1,5 €/kg, dependiendo del precio del gas natural. En el caso del hidrógeno azul, a ese coste habría que sumarle el de los procesos de captura y almacenamiento del CO2 (entre 50 y 70 €/tonelada de CO2). Sin embargo, la Unión Europea planea penalizar las emisiones de CO2 en un rango de 30 y 50 euros por tonelada de CO2, por lo que dentro de unos años el hidrógeno azul acabará siendo más barato que el gris.

Según Lobato, en la actualidad la mayoría de los expertos estiman que en los próximos 10 años los costes de producción de hidrógeno verde (cuyo coste actual oscila en torno a los 3,5-5 €/kg), descenderán en un 70 % o incluso más si los precios de la electricidad procedente de fuentes renovables siguen disminuyendo, tal y como lo está haciendo actualmente.

Un vehículo Mercedes-Benz se recarga de hidrógeno en una feria del motor.

Un vehículo Mercedes-Benz se recarga de hidrógeno en una feria del motor.

Foto: CordonPress

Si ninguna de estas dos opciones (electrólisis y reformado de metano) funcionase, siempre se pueden utilizar otras fórmulas alternativas, como puede ser la producción de hidrógeno a partir de celulosa o el reformado de etanol y azúcares. Otra de las posibilidades es el denominado “ciclo híbrido del azufre”, o ciclo de Westinghouse, la compañía estadounidense que desarrolló dicho método en la década de 1970. La principal ventaja de esta opción –explica Justo Lobato, quien actualmente trabaja en un proyecto para mejorar la eficiencia de este método– es que requiere una menor cantidad de energía en el proceso de electrólisis, lo que podría servir en un futuro para abaratar los costes de producción del hidrógeno verde.

Red de gasoductos para transportar el hidrógeno

Una vez superados estos escollos de la producción de hidrógeno, ¿cuál sería la mejor manera de que llegase al lugar de consumo? Otra de las incógnitas es cómo transportarlo de una forma segura, algo no exento de complicaciones.

Según Røkke, una opción interesante sería adecuar la red de gasoductos para el uso de hidrógeno, un gas que es más difícil de transportar sin peligro de fuga y que puede menoscabar el estado de las tuberías. Para ello sería necesario recabar fondos de instituciones comunitarias, habida cuenta del alto coste de esta inversión. Un precio, que, para Røkke, no deja de ser relativo. "Pensad en la infraestructura que hemos levantado para dar cabida a los combustibles fósiles -afirma- Probablemente es la más cara del mundo. Es evidente que esta transformación tendrá un alto coste ecológico, pero el beneficio final es el modelo de cero emisiones", concluye.

Para Javier Brey, la sustitución de los gasoductos no debería ser un problema. "Hace cien años existía en Europa y Estados Unidos una infraestructura apta para lo que se denominaba 'gas ciudad', el precursor del gas natural -sostiene el experto-. Cuando el uso de gas natural se fue generalizando en la década de 1940, la infraestructura también fue sustituyéndose por un nuevo sistema de gasoductos permitiese la circulación de ese nuevo 'vector energético'. Lo mismo sucederá con el hidrógeno".

Para Justo Lobato, una alternativa podría ser el denominado power to gas, una solución consistente en la obtención del hidrógeno por electrólisis utilizando el excedente de energías renovables para transportarlo posteriormente por la red de gas natural existente. Según explica el experto, este nuevo combustible limpio podría conseguirse como aditivo al gas natural o transportando el hidrógeno producido por electrólisis junto con CO2 (ya sea extraído de la atmósfera o almacenado) para producir un gas sintético con propiedades muy parecidas al gas natural denominado en inglés 'syngas'.

Según Javier Brey, el abaratamiento del precio de las energías renovables acabará convirtiendo al hidrógeno generado por electrólisis en la alternativa energética más sostenible del mercado

Y este power to gas ¿es caro o barato? La compañía Greenpeace Energy fue una de las pioneras en implantar esta fuente de energía en Alemania con una tarifa de 6,95 c€/kWh de los cuales 0,4 céntimos eran para cubrir los costes de la instalación. Este precio, aunque más caro que el del gas natural (5,6 c€/kWh) es más barato que el de la gasolina, 15 c€/kWh, y muy competitivo en el mercado energético si se tiene en cuenta que el precio de las energías renovables va disminuyendo, mientras que el de los combustibles fósiles van aumentando.

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Entonces ¿será el hidrógeno el combustible limpio del futuro?

Javier Brey confía en que el abaratamiento del precio de las energías renovables acabará convirtiendo al hidrógeno generado por electrólisis en la alternativa energética más sostenible del mercado. Nils Anders Røkke es también rotundo en este sentido: "es imposible alcanzar los objetivos energéticos marcados por la Unión Europea para 2050 sin desarrollar una economía basada en el hidrógeno".

Actualmente este combustible ya se ha 'colado' en la vida cotidiana, aunque de manera muy tímida. Las 'hidrogeneras', estaciones de servicio de hidrógeno, son una realidad en Japón, Estados Unidos y Alemania. En España también existen, aunque su distribución es todavía escasa, pues también es el número de vehículos que funcionan con este combustible. Un ejemplo más esperanzador, según informa Justo Lobato, la encontramos en Groninga, El proyecto HEAVENN [H2 Energy Applications (in) Valley Environments (for) Northern Netherlands] en el que participan más de 65 entidades nacionales e internaciones y con una inversión de más de 1.000 millones de euros, pretende basar en el hidrógeno todo el sistema energético del norte de Holanda, un país que está apostando fuerte por este combustible alternativo.

Las 'hidrogeneras', estaciones de servicio de hidrógeno, ya son una realidad en países como Japón, Estados Unidos y Alemania.

El éxito de este proyecto podría dar un espaldarazo a la solución energética basada en el hidrógeno, un combustible limpio y fácil de usar que podría solucionar tanto las necesidades del consumo doméstico como del transporte. Algo que solo será posible si las instituciones, tanto europeas como nacionales, dan una oportunidad a la eterna promesa de los combustibles limpios.

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