Descifrando el arco iris del hidrógeno

Serie Hidrógeno

El año pasado, nuestro fundador Bertrand Piccard anunció el lanzamiento de su próxima e innovadora misión: Climate Impulse. Tras dar la vuelta a la Tierra con el avión Solar Impulse entre 2015 y 2016, Bertrand Piccard pretende ampliar aún más los límites de las tecnologías limpias pioneras. En 2028, intentará dar otra vuelta al mundo, esta vez sin escalas y sin emisiones, en un avión propulsado por hidrógeno verde.

El hidrógeno verde es un término emergente en el campo de la sostenibilidad medioambiental, e incluso se sitúa en el centro del debate actual sobre la sostenibilidad: aclamado como un héroe de la energía limpia por algunos, criticado como una costosa distracción por otros. Sus métodos de producción varían drásticamente en cuanto al impacto del carbono: desde el hidrógeno "gris" de origen fósil hasta el hidrógeno verdaderamente ecológico fabricado con electricidad renovable. Los críticos cuestionan su ineficacia y escalabilidad, especialmente para el transporte terrestre y la calefacción. Sin embargo, en sectores difíciles de descarbonizar, como la aviación, donde la densidad energética es importante y las soluciones con baterías se quedan cortas, el hidrógeno sigue siendo uno de los pocos caminos viables hacia un vuelo con cero emisiones.

Este artículo es el primero de una serie diseñada para ayudarle a comprender mejor los aspectos básicos del hidrógeno y su impacto sobre el clima.

El hidrógeno en la Tierra

Para entender por qué el hidrógeno es fundamental para nuestra sociedad y cada vez más popular como posible protagonista para alcanzar un futuro sostenible, debemos explorar su papel fundamental:

• 0,00005% del volumen de la Atmósfera en forma de gas (_H2)^.1

• Los átomos de hidrógeno constituyen aproximadamente el 11% de la masa total del agua^.2

• El 10% de la masa de nuestro cuerpo^.3

El hidrógeno también tiene una enorme repercusión en nuestra vida cotidiana: según un informe de la AIE, cada año se producen en el mundo 90 millones de toneladas de hidrógeno sólo con fines industriales (producción de amoníaco, refinado de petróleo). Además, el hidrógeno se utiliza en los sectores de la energía (pilas de combustible, almacenamiento de energía), la aeronáutica y los vuelos espaciales (propulsión de cohetes) o el transporte limpio (transportes públicos, transporte de mercancías.) Sin embargo, no todos los tipos de hidrógeno pueden utilizarse como fuente sostenible de energía o combustible. Hay que distinguir claramente entre los distintos tipos y colores de hidrógeno en función de su método de producción.

Una visión de la demanda mundial de hidrógeno en 2023 por la Universidad de Stanford

Colores de hidrógeno que emiten carbono

El hidrógeno negro o marrón se produce mediante la gasificación del carbón, un proceso que genera importantes emisiones de_CO2 (19 _tCO2/tH2⁾⁴. Se utiliza para sintetizar amoníaco, especialmente en China e India, países ricos en carbón que utilizan el amoníaco como fuente de fertilizantes, o en Sudáfrica para convertir el carbón en combustibles ^líquidos5.

El hidrógeno gris es un producto de los combustibles fósiles a través del reformado del gas de vapor o la gasificación del carbón. En la actualidad, el hidrógeno gris es la principal solución de hidrógeno del mundo; representa el ^95%6 del consumo de hidrógeno de nuestra sociedad y se utiliza para procesos de hidrogenación en alimentación o electrónica, o para producir metanol a nivel mundial. En la actualidad, es la opción de hidrógeno más atractiva desde el punto de vista económico, ya que cuesta entre 1 y 2 dólares por kilogramo de ^H27. Sin embargo, no es una opción viable, ya que libera a la atmósfera entre 10 y 19 toneladas de_CO2 por tonelada de ^H28.

El hidrógeno azul, obtenido a partir de gas natural mediante reformado con vapor de gas y asociado a la captura y secuestro de carbono (CAC), se considera una "tecnología puente" en el camino hacia la descarbonización total. Reduce significativamente las emisiones de_CO2 (1-4 tCO2/tH2⁾⁹ en comparación con el hidrógeno gris y sigue siendo relativamente barato (1,5-3 dólares por kilogramo de H2⁾¹⁰. El hidrógeno azul se está implantando cada vez más en la industria del transporte como fuente de energía para camiones pesados, autobuses, trenes y barcos.

La rueda de colores del hidrógeno

Colores del hidrógeno prometedores y tecnológicamente accesibles

El hidrógeno verde se origina a partir de fuentes de energía renovables como la eólica, la solar o la hidráulica mediante un proceso conocido como electrólisis del agua, en el que un electrolizador divide las moléculas de agua (_H2O) en gas oxígeno (_O2) y gas hidrógeno (_H2). Este proceso genera entre 0 y 2,5 kg_{de CO2} por kg de ^H211, dependiendo de la fuente de electricidad y de la eficiencia del proceso de electrólisis, lo que lo convierte en la forma más limpia de hidrógeno que tenemos hoy en día. Actualmente, los costes del hidrógeno verde son elevados (entre 3 y 8 dólares por kilogramo de _H2⁾¹², lo que puede explicar que represente menos del 0,1% de la producción mundial de ^hidrógeno13. Para cambiar esta situación, es necesario desarrollar instalaciones de producción de hidrógeno verde. En Arabia Saudí, el proyecto NEOM pretende construir la mayor planta de hidrógeno verde del mundo. Sólo ampliando estas estructuras se podrá acceder a la producción de hidrógeno verde a escala mundial.

El hidrógeno amarillo también se produce mediante electrólisis del agua y utiliza electricidad de la red eléctrica general, que suele ser una mezcla de combustibles fósiles, energías renovables y energía nuclear. A medida que se modernicen las redes eléctricas, el hidrógeno amarillo podría convertirse en la forma más barata de hidrógeno renovable a medio plazo. Suecia es un gran ejemplo a seguir: aproximadamente el 99% de su combinación energética se basa en fuentes limpias a partir de 2024.

El hidrógeno morado, rosa y rojo también pueden considerarse fuentes de energía limpias, ya que no emiten_CO2 durante su producción. Al igual que el hidrógeno verde, son productos de la electrólisis del agua, pero alimentados por energía nuclear y calor en lugar de fuentes de energía renovables. Esto significa que son emisores de carbono cero si la fuente nuclear está libre de emisiones. Actualmente, es más fácil acceder a este tipo de hidrógeno que al hidrógeno verde, ya que las instalaciones de producción (centrales nucleares) son más frecuentes. Sin embargo, el precio de producción puede variar significativamente de una región a otra en función de la aceptación política y pública de las centrales nucleares.

Explicación de la producción de hidrógeno verde de NEOM

Colores de hidrógeno potencialmente limpios en las primeras fases de desarrollo

El objetivo de Orange Hydrogen es la producción de hidrógeno a partir de residuos plásticos mediante pirólisis, catálisis por microondas y foto-reformado. Estos procesos técnicos y químicos descomponen los residuos plásticos en ausencia de oxígeno utilizando energía de microondas y catalizadores activados por la luz. El objetivo es extraer hidrógeno del material plástico para convertir los residuos en una valiosa fuente de energía. Esta compleja tecnología aún requiere una puesta a punto y todavía no está madura a escala industrial. El plástico varía mucho en su composición (polietileno frente a PVC), lo que dificulta la extracción de suficiente hidrógeno. Los catalizadores son una parte esencial del proceso de producción, pero actualmente son muy caros, propensos a errores y no están optimizados para la producción a gran escala.

Turquoise Hydrogen es hidrógeno producido a partir de gas natural tras una pirólisis de metano. El gas natural se descompone en hidrógeno y carbono sólido a altas temperaturas. Como el carbono es sólido, no se libera a la atmósfera sino que hay que almacenarlo, lo que puede causar tensiones logísticas adicionales. Mantener las altas temperaturas necesarias para el proceso de producción es un reto y actualmente consume mucha energía, además de ser caro. Como este hidrógeno sigue necesitando metano en su fase de producción, las fugas en la cadena de suministro pueden mermar los beneficios climáticos. Es posible que el hidrógeno turquesa necesite algún tiempo antes de demostrar que es una solución limpia, pero bien podría convertirse en una alternativa.

Un vistazo a la producción de hidrógeno turquesa:

Lo que hay que recordar

El potencial sostenible de una energía depende en gran medida del proceso de producción que conduce a su existencia. Es innegable que los vehículos eléctricos son una forma de reducir nuestras emisiones de gases de efecto invernadero, ya que liberan directamente mucho menos carbono que los coches que funcionan con gases naturales. Sin embargo, para que tengan un impacto definitivo y positivo en el medio ambiente, las soluciones para reducir nuestra huella de carbono en el proceso de producción necesitan un mayor desarrollo. Si la fuente de energía eléctrica o las baterías siguen siendo a largo plazo los combustibles fósiles u otros materiales emisores de carbono, sólo estamos ocultando y retrasando nuestros problemas, no encontrando soluciones.

Este mismo principio se aplica al desarrollo de las tecnologías del hidrógeno. En 2023, la Agencia Internacional de la Energía (AIE) estimaba que sólo el 1% (¡!) de la producción mundial de hidrógeno podría considerarse limpia. Para 2030, las proyecciones de McKinsey afirman que esta cifra podría aumentar hasta el 30%. Para que el hidrógeno verde se convierta en una opción asequible en todo el mundo, será de vital importancia una importante expansión de las tecnologías limpias de producción de hidrógeno.

Las aplicaciones actuales del hidrógeno verde ya son prometedoras, lo que podría motivar a los posibles interesados a seguir invirtiendo en este campo. Siga atento para saber más sobre estas adopciones en nuestro próximo artículo sobre el hidrógeno.