Producción de hidrógeno: Transición de combustibles fósiles a las fuentes renovables

La transición energética en curso no tiene precedentes debido a su escala y al profundo impacto en las tendencias socioeconómicas, tecnológicas y geopolíticas establecidas en todo el mundo (1).

Las energías renovables, en combinación con la eficiencia energética, constituyen ahora la vanguardia de una transición energética global de gran alcance. Esta transición no es un reemplazo de combustible; es un cambio hacia un sistema diferente con perturbaciones políticas, técnicas, ambientales y económicas proporcionales (1).

Derivado del agua mediante electrólisis, el hidrógeno renovable presenta una solución convincente a los desafíos del almacenamiento de energía, la reducción de emisiones y la integración de fuentes de energía renovables variables como la eólica y la solar (2).

Sin embargo, el camino hacia una economía del hidrógeno está cargado de obstáculos técnicos y económicos, incluidos altos costos de producción e insuficiencias de infraestructura (2).

El hidrógeno se puede producir utilizando diversos recursos nacionales, incluidos la energía nuclear, el gas natural y el carbón, la biomasa y otras fuentes renovables. Estas últimas incluyen la energía solar, eólica, hidroeléctrica o geotérmica. Esta diversidad de fuentes de energía nacionales hace que el hidrógeno sea un vector energético prometedor e importante para la seguridad energética (3).

Es deseable que el hidrógeno se produzca utilizando una variedad de recursos y tecnologías o vías de proceso. La producción de hidrógeno se puede lograr mediante diversas tecnologías de procesos, incluidas las térmicas (reformado de gas natural, procesamiento de líquidos renovables y bioaceites, biomasa y gasificación de carbón), electrolíticas (división del agua utilizando una variedad de recursos energéticos) y fotolíticas (división del agua). utilizando la luz solar a través de materiales biológicos y electroquímicos) (4).

Existen varias tecnologías para la producción de hidrógeno, que pueden utilizarse según los requisitos específicos y los recursos disponibles (5).

Inicialmente, el reformado con vapor de gas natural es actualmente la tecnología más utilizada para la producción de hidrógeno. En este proceso se calienta gas natural, compuesto principalmente de metano, con vapor de agua en presencia de un catalizador. En sentido figurado, se puede considerar el reformado con vapor como la "desintegración" del gas natural (5).

En este proceso, el metano del gas natural reacciona con el vapor de agua, produciendo hidrógeno (H2) y monóxido de carbono (CO). El hidrógeno obtenido se purifica y luego puede utilizarse como combustible en vehículos, para generar electricidad en pilas de combustible o en diversas aplicaciones industriales. Este proceso es económico, pero también tiene desventajas. Como subproducto se libera dióxido de carbono, lo que tiene un impacto en el medio ambiente (5).

En la electrólisis, el agua se divide en hidrógeno y oxígeno con la ayuda de una corriente eléctrica. Para ello, equipos o equipos llamados electrolizadores realizan el proceso de electrólisis (6).

Por otro lado, en la producción de hidrógeno solar se utiliza energía solar en lugar de energía eléctrica para llevar a cabo el proceso de electrólisis. Esto se puede hacer mediante la luz solar directa o concentrando la radiación solar con la ayuda de espejos o colectores solares. Esta nueva tecnología podría utilizarse en países donde haya suficiente sol y permitiría producir hidrógeno de forma especialmente rentable (6).

Igualmente, en La Producción Termoquímica de Hidrógeno (Producción Biológica de Hidrógeno), algunos microorganismos, como ciertas bacterias o algas, pueden producir hidrógeno mediante fermentación o fotosíntesis. Este método aún está en desarrollo, pero tiene potencial como fuente de hidrógeno sostenible y respetuosa con el medio ambiente. Sin embargo, la desventaja de este tipo de producción son los recursos finitos (7).

El hidrógeno limpio producido a partir de fuentes de energía renovables puede ofrecer una alternativa sostenible. Además de ser una fuente de energía limpia, el hidrógeno se puede almacenar y transportar, lo que permite la seguridad y resiliencia energética (8).

Cabe señalar que no todos los procesos de producción de hidrógeno son igualmente sostenibles ni respetuosos con el medio ambiente. La sostenibilidad de la producción de hidrógeno depende de la fuente de energía utilizada y de las emisiones de CO2 durante el proceso de producción. Para aprovechar al máximo los beneficios del hidrógeno como fuente de energía limpia, es de gran importancia utilizar fuentes de energía renovables para la producción de hidrógeno (9).

El uso de energías renovables como la solar, la eólica o la hidráulica puede reducir significativamente las emisiones de CO2 en la producción de hidrógeno, haciéndola más sostenible y sostenible. Se produce hidrógeno respetuoso con el medio ambiente. Se trata de un paso importante hacia la consecución de un futuro con bajas emisiones de carbono y la lucha contra el cambio climático (9).

La electrólisis es el proceso más prometedor. El proceso de electrólisis permite la producción de hidrógeno de forma respetuosa con el medio ambiente, especialmente si la electricidad utilizada procede de fuentes de energía renovables. Estas tecnologías desempeñan un papel importante a la hora de permitir que el hidrógeno limpio surja como portador de energía sostenible para diversas aplicaciones (9).

Actualmente, el hidrógeno se utiliza principalmente como materia prima energética en procesos industriales, pero también podría contribuir a la producción de otros gases y combustibles líquidos (10).

Gracias a sus propiedades de densidad energética, también puede transportar y almacenar energía, lo que lo hace especialmente adecuado para el transporte de mercancías pesadas y de larga distancia. Otro aspecto que podría acelerar su producción es el hecho de que la infraestructura existente en transporte y almacenamiento de gas puede reutilizarse para hidrógeno (10).

Todos los procesos de producción de hidrógeno pueden caracterizarse asignando al hidrógeno una etiqueta de color. Aunque el hidrógeno es un gas incoloro, estas etiquetas son de uso común como notación abreviada y se describen así: (11)

• El hidrógeno gris se obtiene mediante el reformado de metano con vapor y el CO2 producido se libera a la atmósfera.
• El hidrógeno azul se obtiene mediante el reformado de metano con vapor, pero el CO2 se captura y almacena.
• El hidrógeno verde se obtiene mediante la electrólisis del agua (o del vapor) utilizando la electricidad obtenida de una fuente renovable como la eólica o la solar.
• El hidrógeno rosa se obtiene mediante la electrólisis del agua cuando la electricidad procede de la energía nuclear.
• El hidrógeno negro/marrón se obtiene a partir del carbón mediante la gasificación, pero es un proceso muy contaminante ya que se libera CO2 a la atmósfera (11).

Mientras el mundo se enfrenta a la urgente necesidad de descarbonizar varios sectores y hacer la transición hacia un panorama energético más sostenible, el potencial del hidrógeno renovable como fuente de energía limpia está atrayendo una atención significativa.

La introducción de tecnologías de electrólisis se está desarrollando rápidamente para satisfacer la necesidad de hidrógeno verde para el transporte y la industria. Lo que está claro es que tendremos que desarrollar y desplegar muchas variantes diferentes de producción de hidrógeno para satisfacer el enorme crecimiento previsto de la demanda mundial.

El hidrógeno es sin duda una tecnología clave para lograr una economía neta cero, ya que puede ayudar a reducir las emisiones en sectores de la economía que son difíciles de descarbonizar.

Sin embargo, muchos desafíos desde las cadenas de suministro hasta la geopolítica y la dinámica de los precios de la electricidad dificultarán el despliegue de la tecnología lo suficientemente rápido como para alcanzar los objetivos de los países. Superar estas barreras requerirá una estrategia a largo plazo, flexibilidad política y mucho dinero.

Fuentes:

1. https://www.irena.org/Digital-Report/Geopolitics-of-the-Energy-Transformation
2. https://www.innovationnewsnetwork.com/how-will-renewable-hydrogen-accelerate-energy-transition/42156/
3. https://www.globalwitness.org/en/blog/problem-hydrogen/
4. https://www.weforum.org/agenda/2022/01/hydrogen-energy-transition-climate-change/
5. https://www.iea.org/reports/the-future-of-hydrogen
6. https://www.theguardian.com/environment/2023/mar/07/hydrogen-clean-fuel-climate-crisis-explainer
7. https://www.terega.fr/en/our-activities/hydrogen/hydrogen-production-a-challenge-for-the-energy-transition
8. https://asia.nikkei.com/Business/Energy/Hydrogen-made-using-fossil-fuels-can-help-energy-transition-IEA
9. https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-resources
10. https://commission.europa.eu/news/focus-renewable-hydrogen-decarbonise-eus-energy-system-2022-11-15-0_en

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