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Hidrógeno verde, ¿mito o realidad?

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La extracción de energía limpia a partir del agua ha sido un sueño durante más de un siglo y muchos de nosotros recordamos el libro que Julio Verne escribió en 1874, "La isla misteriosa" y su visión de extraer el hidrógeno del agua, convirtiéndose en una fuente de energía infinita para las generaciones futuras. Así que, durante 147 años, el uso del hidrógeno civil ha sido objeto de debate y somos incapaces de aventurar el número de artículos, conferencias y anuncios que apoyan el inicio del hidrógeno como una fuente de energía indudable.

Para nosotros, como ingenieros de electrónica de potencia, al igual que en la visión de Julio Verne, la energía del hidrógeno se consigue mediante la electrolización del hidrógeno y el oxígeno, y luego se despliega una pila de combustible para generar electricidad. En realidad, la producción mundial de hidrógeno por electrólisis es inferior al 4%, ya que más del 94% se produce a partir de recursos fósiles, principalmente carbón y gas, y la producción anecdótica a partir de biomasa y otros representa sólo el 2%.
El 70% del hidrógeno total producido en el mundo se extrae del gas natural metano. Para su extracción se utiliza el llamado proceso de "reformado con vapor", en el que se utiliza vapor a alta temperatura (700°C - 1.000°C) para producir hidrógeno. El proceso de reformado al vapor, si no se captura el CO2, es responsable de altos niveles de emisiones de gases de efecto invernadero. Se calcula que la cantidad de CO2 liberada por la producción mundial de hidrógeno es de unos 830 millones de toneladas de dióxido de carbono liberadas a la atmósfera.
En este punto nos encontramos hoy, con el enigma "hidrógeno verde, ¿mito o realidad?" alimentando el debate. Pero las cosas están cambiando y nos acercamos cada vez más a la visión de Julio Verne.

Los matices del hidrógeno
Para simplificar la comprensión de los diferentes métodos de producción y su impacto medioambiental, la industria ha codificado el hidrógeno por colores. En la práctica, se suelen utilizar cuatro categorías principales: marrón, gris, azul y verde. De vez en cuando aparecen subcategorías; por ejemplo, el hidrógeno producido por electrolizadores alimentados por centrales nucleares se denomina a veces "rosa", pero esto es más anecdótico que una delimitación de hecho.

Hidrógeno marrón:
El color marrón se ha asignado al hidrógeno extraído del carbón por gasificación. En este proceso, el material basado en el carbón se convierte en una mezcla de monóxido de carbono, hidrógeno y dióxido de carbono. La gasificación se realiza a temperaturas muy altas (>700°C) sin combustión con una cantidad controlada de oxígeno y/o vapor. A continuación, el monóxido de carbono reacciona con el agua para formar dióxido de carbono y más hidrógeno mediante una reacción de cambio de gas a agua. El gas resultante de este proceso se llama syngas. El hidrógeno producido por este método se conoce como marrón (lignito) o negro (bituminoso) según el tipo de carbón utilizado. Sin embargo, este proceso es muy contaminante, ya que tanto el CO2 como el monóxido de carbono no pueden reutilizarse y se liberan a la atmósfera.

Hidrógeno gris:
Hoy en día, el hidrógeno gris representa la mayor parte de la producción. Más del 70% del hidrógeno que se produce actualmente en el mundo se clasifica como hidrógeno gris. El proceso de producción más común utiliza el reformado de metano con vapor (SMR). En este proceso, el vapor a alta presión reacciona con el metano, dando como resultado hidrógeno y el gas de efecto invernadero CO2. En este proceso se generan unos 9,3 kg de CO2 por kg de hidrógeno, lo que es inferior al hidrógeno marrón, aunque sigue siendo una cantidad considerable cuando se libera a la atmósfera.

Hidrógeno azul:
Cuando el CO2 producido a partir de los métodos anteriores se captura y almacena en el subsuelo mediante la captura y el almacenamiento industrial de carbono (CSS), el proceso de fabricación es menos dañino para el medio ambiente, aunque es más caro y menos eficiente que los métodos convencionales. El hidrógeno azul se considera un paso importante en la transición energética hacia el hidrógeno verde y la gran mayoría de las nuevas unidades de producción están estrictamente controladas en cuanto a su impacto medioambiental. Sin embargo, a pesar de los altos niveles de mejora, en comparación con el marrón y el gris, entre el 10 y el 20% del CO2 no puede ser capturado y se libera.

Hidrógeno verde:
A nivel mundial, la cantidad de producción de hidrógeno a partir de la electrólisis del agua es muy pequeña, menos del 4%, pero es la técnica más conocida, que algunos recordaremos de nuestras clases de química en el colegio. Utilizando la electricidad, el hidrógeno se produce dividiendo las moléculas de H2O en hidrógeno y oxígeno. En el caso del hidrógeno verde, la electricidad se produce a partir de fuentes de energía renovables (menos del 1%). En el proceso, los electrolizadores son la "obra maestra" y se utilizan desde hace décadas con una eficiencia media del 73% (frente al 65% del proceso de reformado con vapor). En cuanto al suministro de energía, es evidente que mejorar su eficiencia es de vital importancia para reducir el consumo y el coste de la energía. En todo el mundo, la investigación intensiva tiene como objetivo alcanzar una eficiencia de conversión del 95%, que de hecho no estamos lejos de conseguir.

El hidrógeno en Europa: situación actual
Todos somos conscientes de los desafíos climáticos y del acuerdo de París adoptado el 12 de diciembre de 2015 por 196 Partes en la COP 21 de París. El acuerdo ratificado entró en vigor el 4 de noviembre de 2016. El Acuerdo de París adopta la visión de utilizar plenamente el desarrollo de la tecnología y la transferencia tanto para mejorar la resiliencia al cambio climático como para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero.
En su respuesta a los retos relacionados con los cambios climáticos, la Comisión Europea comunicó en diciembre de 2019 el llamado "Acuerdo Verde Europeo", con el objetivo de transformar la UE en una sociedad justa y próspera con una economía moderna, eficiente en recursos y competitiva en la que no haya emisiones netas de gases de efecto invernadero en 2050 (ilustración 01). El Green Deal europeo es también la tabla de salvación de la pandemia de COVID-19. Un tercio de las inversiones de 1,8 billones de euros del plan de recuperación "NextGenerationEU" y del presupuesto septenal de la UE financiará el "European Green Deal".
Para lograr este objetivo se han iniciado muchas actividades y una de ellas es desarrollar y desplegar una estrategia europea para el hidrógeno. Esta estrategia se publicó en julio de 2020, estableciendo una visión de cómo la UE puede convertir el hidrógeno limpio en una solución viable para descarbonizar diferentes sectores a lo largo del tiempo, instalando al menos 6GW de electrolizadores de hidrógeno renovable en la UE para 2024 y 40GW de electrolizadores de hidrógeno renovable para 2030.
Para apoyar esa estrategia es importante la coordinación global entre las autoridades públicas, la industria, la sociedad civil y la comunidad investigadora. Se han formado varias alianzas que facilitan las sinergias y la ejecución de las estrategias.

La Alianza para el Hidrógeno Limpio de la UE
Como parte de la Nueva Estrategia Industrial para Europa, en julio de 2020 se puso en marcha la Alianza Europea para el Hidrógeno Limpio (ECH2A) en el contexto de la estrategia del hidrógeno para una Europa climáticamente neutra.
La Alianza Europea para el Hidrógeno Limpio tiene como objetivo desarrollar y desplegar el hidrógeno como un vector energético viable y competitivo en Europa. La Alianza apoya la aplicación de la estrategia del hidrógeno para una Europa climáticamente neutra, trabajando para desarrollar una cadena de valor del hidrógeno completa y accesible en toda la UE. Esto se logrará, entre otras cosas, a través de una agenda de inversiones y una reserva de proyectos, así como movilizando recursos y acciones para instalar electrolizadores de hidrógeno renovable para lograr los objetivos de 6GW y 40GW antes mencionados.
En abril de 2021, la Comisión de la UE envió una invitación a los más de 1.000 miembros de la Alianza Europea del Hidrógeno Limpio, invitándoles a presentar proyectos de tecnologías y soluciones de hidrógeno renovable y bajo en carbono. En junio de 2021 se celebró el segundo Foro Europeo del Hidrógeno, en el que se registró un impresionante número de 1.052 proyectos presentados, de los cuales 997 cumplían los criterios de elegibilidad. Esta cifra refleja el gran compromiso de la industria europea para acelerar el desarrollo del hidrógeno en Europa.

La Empresa Común de Pilas de Combustible e Hidrógeno de la UE
Debido a la importancia de desarrollar electrolizadores eficientes, ya en 2003 la Comisión Europea facilitó la creación de la plataforma tecnológica europea de hidrógeno y pilas de combustible con el objetivo de vincular la investigación pública y privada y crear iniciativas para acelerar el desarrollo de tecnologías eficientes de pilas de combustible e hidrógeno.
A partir de esta iniciativa, en mayo de 2008 el Consejo de la Unión Europea creó la Empresa Común Pilas de Combustible e Hidrógeno (Empresa Común FCH) con el objetivo de Contribuir a la aplicación del Séptimo Programa Marco y, en particular, a los temas del Programa Específico "Cooperación" para "Energía", "Nanociencias, Nanotecnologías, Materiales y Nuevas Tecnologías de Producción", "Medio Ambiente (incluido el Cambio Climático)", y "Transporte (incluida la Aeronáutica)".
Entre los proyectos e iniciativas cabe destacar un estudio muy interesante, encargado por las empresas comunes Clean Sky 2 y Fuel Cells & Hydrogen 2, sobre el potencial de uso del hidrógeno en la aviación. El uso del hidrógeno en la aeronáutica requerirá una gran cantidad de innovación técnica y una nueva infraestructura, pero se considera un gran paso adelante en la reducción de las emisiones de CO2 del sector de la aviación. El fabricante de aviones AIRBUS participó en el estudio y cabe mencionar la ambición de la empresa de desarrollar el primer avión comercial del mundo con cero emisiones para 2035 (ilustración 02).

De lo pequeño a lo grande, el hidrógeno se abre paso.
Paso a paso, sin prisa pero sin pausa, el hidrógeno verde se está convirtiendo en una realidad y el número de electrolizadores instalados aumenta rápidamente. Evidentemente, sería difícil enumerar todos los proyectos, pero es interesante mencionar algunos para ilustrar la realidad.

Suecia - Mariestad ElectriVillage
Situado en el sur de Suecia, a orillas del lago Vänern, el municipio de Mariestad desarrolló un concepto para crear un ecosistema energético sostenible basado en las energías renovables y el hidrógeno. El proyecto original incluía un gran conjunto de paneles solares para alimentar electrolizadores que generaran hidrógeno para una estación de servicio autónoma para coches y vehículos utilitarios. Explorando el gran abanico de posibilidades que ofrece esta tecnología, la estación también podría utilizar el hidrógeno almacenado para alimentar una pila de combustible para generar electricidad. El oxígeno resultante del proceso de división en los electrolizadores se captura y almacena para aplicaciones médicas, industriales o agrícolas. Esta estación autónoma es un buen ejemplo de lo que podría desplegarse a mayor escala e incluso para generar hidrógeno para otros vehículos como los trenes de cercanías (ilustración 03)


Alemania - Wesseling El mayor electrolizador PEM de la UE
En el marco del consorcio europeo REFHYNE y con financiación de la UE a través de la Empresa Común Pilas de Combustible e Hidrógeno (Empresa Común FCH), comenzaron a funcionar los mayores electrolizadores de agua de membrana de electrolito polimérico (PEM) de Europa en el Parque Energético y Químico de Shell en Renania, cerca de Colonia. Los electrolizadores de Rheinland utilizarán electricidad renovable para producir hasta 1.300 toneladas de hidrógeno verde al año, y hay planes para ampliar la capacidad de los electrolizadores de 10 a 100 megavatios (ilustración 04).

Estos dos ejemplos reflejan la escala de las iniciativas sobre el hidrógeno en Europa y, sobre todo, teniendo en cuenta el gran número de proyectos, sitúan a Europa como protagonista de la transición energética y la descarbonización de la industria.

En conclusión
Tras décadas de interés por el hidrógeno, por fin hemos entrado en una nueva era. Europa comenzó su compromiso con la "H" hace más de 20 años y el "Green Deal" impulsó la investigación, la cooperación y el despliegue. No cabe duda de que Europa ha dado grandes pasos para alcanzar el objetivo de 2050 y otros países también están acelerando sus estrategias de hidrógeno. En Estados Unidos, bajo el impulso de Joe Biden, se están llevando a cabo importantes actividades. Según ha anunciado el Departamento de Energía de EE.UU. (DOE), una dotación de 52,5 millones de dólares financiará 31 proyectos para avanzar en las tecnologías limpias de hidrógeno de próxima generación y apoyará la recientemente anunciada iniciativa Hydrogen Energy Earthshot del DOE para reducir el coste y acelerar los avances en el sector del hidrógeno limpio. Estos son claros indicios de que el hidrógeno es una parte importante de la estrategia de transición energética de Estados Unidos.

El hidrógeno ya no es un mito ni la visión de Julio Verne: "El agua se empleará un día como combustible, que el hidrógeno y el oxígeno que la constituyen, utilizados solos o juntos, proporcionarán una fuente inagotable de calor y luz, de una intensidad de la que el carbón no es capaz" se hará realidad.



Referencias:
Powerbox (PRBX):
https://www.prbx.com/

EU Green Deal:
https://ec.europa.eu/info/strategy/priorities-2019-2024/european-green-deal_en

EU Hydrogen:
https://ec.europa.eu/energy/topics/energy-system-integration/hydrogen_en

EU Clean Hydrogen Alliance
https://www.ech2a.eu/

EU Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking
https://www.fch.europa.eu/

Mariestad ElectriVillage (Youtube video)
https://youtu.be/ryfOEIqQTco?list=PLT-QkyUkOkuuT_PZU-QBx40juY6jmWva1

AIRBUS ZEROe
https://www.airbus.com/innovation/zero-emission/hydrogen/zeroe.html

Germany – Wesseling REFHYNE PEM Electrolyser plant
https://www.shell.com/energy-and-innovation/new-energies/hydrogen.html

 

Acerca de Powerbox
Fundada en 1974, con sede en Suecia y operaciones en 15 países de cuatro continentes, Powerbox sirve a clientes de todo el mundo. La empresa se centra en cuatro grandes mercados -industrial, médico, transporte/ferrocarril y defensa- para los que diseña y comercializa sistemas de conversión de potencia de primera calidad para aplicaciones exigentes. La misión de Powerbox es utilizar su experiencia para aumentar la competitividad de los clientes satisfaciendo todas sus necesidades de energía. Todos los aspectos de la actividad de la empresa se centran en ese objetivo, desde el diseño de los componentes avanzados que forman parte de los productos hasta los altos niveles de servicio al cliente. Powerbox es reconocida por sus innovaciones técnicas que reducen el consumo de energía y por su capacidad para gestionar el ciclo de vida completo de los productos minimizando el impacto medioambiental. Powerbox es una empresa del Grupo Cosel.

Más información


Sobre el autor:
Patrick Le Fèvre, Director de Marketing y Comunicación de Powerbox, es un ingeniero experimentado y cualificado con una trayectoria de 35 años de éxito en electrónica de potencia. Ha sido pionero en la comercialización de nuevas tecnologías como la energía digital e iniciativas técnicas para reducir el consumo de energía. Le Fèvre ha escrito y presentado numerosos white papers y artículos en las conferencias internacionales de electrónica de potencia más importantes del mundo. Estas han sido publicadas más de 350 veces en medios de comunicación de todo el mundo. También participa en varios foros medioambientales, compartiendo su experiencia y conocimiento sobre energías limpias.

Patrick Le Fèvre
Director de Marketing y Comunicación de Powerbox

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