Hidrógeno verde: ¿el combustible del futuro?  

El hidrógeno y sus derivados representarán el 12% del consumo final de energía en 2050. De este 12%, más de dos tercios procederá del hidrógeno verde (fabricado con electricidad limpia) y un tercio del hidrógeno azul (fabricado a partir de combustibles fósiles, con captura de carbono). Estas son algunas de las previsiones de la Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA).  

El hidrógeno, aun constituyendo aproximadamente el 75 % de la materia del Universo y ser muy abundante en la Tierra, no se encuentra como tal, sino formando moléculas con otros elementos como el oxígeno -agua- y el carbono -compuestos orgánicos-. Por tanto, no es un combustible que pueda obtenerse directamente de la naturaleza, sino que es un vector energético (como la electricidad) y por ello tiene que “producirse.” 

Una de las ventajas que presenta es que puede ser producido tanto en grandes instalaciones centrales como en pequeñas unidades ubicadas en o cerca del punto de uso. Esto significa que todas las zonas geográficas, incluyendo áreas remotas, puedan convertirse en productores de energía. 

¿Por qué el interés por el hidrógeno? El hidrógeno verde (o renovable) es parte de la solución para lograr la neutralidad climática (net zero) y desarrollar una economía verde de alto valor añadido, principalmente en la sostenibilidad del transporte y de la industria.  

Respecto al potencial que tiene el hidrógeno, necesitaremos 530 millones de toneladas de hidrógeno para alcanzar un escenario de cero emisiones en 2050, según la Agencia Internacional de la Energía. Esto supone multiplicar por seis la producción actual de hidrógeno. Y, por tanto, una oportunidad fabulosa de negocio y de innovaciones.   

Formas de producir hidrógeno 

En la siguiente figura del Centro Nacional de Hidrógeno se muestran los métodos actuales de producción de hidrógeno. Se puede producir a partir de distintas materias primas, distintas fuentes de energía y por distintos procedimientos: 

Al hidrógeno se le denomina con diferentes colores, en función de las materias primas, de las fuentes primarias de energía y de los procedimientos de producción. Los más relevantes son: 

• Negro, marrón o gris: producidos a partir de hidrocarburos como el gas natural (gris), sin realizar captura de emisiones. 
• Amarillo: La electricidad utilizada para la electrólisis procede de fuentes mixtas, desde energías renovables hasta combustibles fósiles. 
• Rosa: Se obtiene mediante electrólisis del agua alimentada por energía nuclear. 

• Azul: Es aquel en el que se generan emisiones de CO₂ en su producción (como el negro, marrón o gris), pero que se capturan para ser posteriormente almacenadas y reutilizadas (por ejemplo, para fabricar eco combustibles). 
• Verde: Es el que se genera mediante electrólisis, haciendo uso de electricidad procedente de energías renovables. En su proceso de obtención no se emiten contaminantes. 

En la actualidad, prácticamente la totalidad del hidrógeno producido en el mundo proviene de combustibles fósiles y no se captura el CO₂, es decir, es gris, marrón o negro. Esta forma de producir hidrógeno no se considera sostenible y está muy extendida en la industria química y en las grandes refinerías de petróleo. 

A partir de ahora, nos centraremos en el hidrógeno verde, ya que es el más limpio y por el que se está apostando más. Como señala la Comisión Europea, «las emisiones de gases de efecto invernadero durante todo el ciclo de vida de la producción de hidrógeno renovable son prácticamente cero«.   

La promesa del hidrógeno verde 

El hidrógeno verde es la forma ideal de producir este vector energético: la materia prima es el agua, y se realiza una electrólisis de la molécula de H₂O, produciendo H₂ y oxígeno. Cuando, una vez almacenado, se quiere consumir, se requiere una pila de combustible de hidrógeno. En ella se juntan el hidrógeno del depósito con el oxígeno del aire y producen vapor de agua y energía eléctrica. 

Además de esa promesa de sostenibilidad, otras características interesantes del hidrógeno son: 

• Es inagotable: al contrario de lo que sucede con los combustibles fósiles, que tarde o temprano desaparecerán, podemos decir que el hidrógeno es una fuente de energía inagotable. 
• Se puede extraer de muchas sustancias, incluso de aguas residuales.  
• Se puede producir y consumir en lugares remotos. 

• Puede almacenarse en estado gaseoso o líquido y distribuirse a través de gasoductos, pudiendo ser un sustituto del gas natural. 
• Se puede utilizar como forma de almacenamiento de energía producida por fuentes limpias. Como nos apuntaba Andrew Hessel recientemente, la revolución de las energías renovables necesitará un almacenamiento de energía también renovable. Y ahí entran en juego las pilas de combustible reversibles, que pueden convertir la electricidad en hidrógeno en momentos de abundante suministro de energía, y también pueden funcionar en sentido inverso para suministrar electricidad en momentos de relativa escasez de energía.  

Problemas a resolver con el hidrógeno 

Hasta aquí, todo son ventajas. ¿Cuáles son los retos aún por resolver? 

Gobiernos, científicos, investigadores, emprendedores y grandes compañías están aplicando la innovación para resolver: 

• Dificultad y coste de producción: Obtener hidrógeno a partir de agua es, hoy en día, un proceso que consume mucha energía eléctrica y que tiene un alto coste: las electrolizadoras son máquinas complejas y caras de construir y de mantener. 
• Baja eficiencia energética: los procesos de generación de hidrógeno a partir del agua, mediante electrólisis, tienen una baja eficiencia energética, del orden del 60%. 
• Dificultades de almacenamiento: Al tratarse de un gas muy ligero, para tener una gran cantidad de energía disponible es necesario almacenarlo a altas presiones y, aun así, ocupa mucho espacio comparado con los combustibles fósiles.
  • Se han desarrollado tecnologías que almacenan hidrógeno en tanques a una presión de 700 bar (700 veces la presión atmosférica). A esta presión, se pueden almacenar 6,3 kg de hidrógeno en un depósito de 160 litros. Para hacerse una idea, un automóvil con celda de combustible tendría una autonomía aproximada de 600 km con un depósito tres veces mayor que uno de gasolina o diésel.
  • Al tratarse de una molécula tan pequeña, tiende a fugarse de los depósitos y tuberías, que puede producir pérdidas de alrededor de un 2 o 3% diario.
  • La otra opción es almacenarlo en estado líquido, pero dado que el hidrógeno hierve a -253 °C, se requiere una gran disipación de energía para enfriarlo y mantenerlo a esa temperatura. A día de hoy, su uso se limita a las naves espaciales.    

• Dificultades de transporte: Además de lo ya mencionado para el almacenamiento, el transporte por gaseoductos: 
  • Es muy ineficaz debido a su baja densidad (unas 10 veces menos que el gas natural). 
  • Haría necesario recubrirlos con un polímero, ya que el hidrógeno provoca fragilidad sobre el acero de las conducciones y tuberías. 
  • Habría que adoptar nuevas medidas para evitar incendios y explosiones, dada la alta inflamabilidad del hidrógeno. Aunque el riesgo de explosiones es mucho menor que el de otros combustibles, ya que se vuelve explosivo en concentraciones entre el 18,3% y el 59%.   

Las innovaciones que se están produciendo 

La industria del hidrógeno muestra un fuerte impulso en todo el mundo, con más de 500 proyectos anunciados en 2021, un 100% más que en 2020. Si todos esos proyectos logran cristalizarse, la inversión resultante sería de más de 500.000 millones de dólares. 

Muchos de estos proyectos pretenden resolver los problemas apuntados y escalar la producción de hidrógeno: 

Respecto a los costes de producción, podría ser rentable si se utilizase todo el exceso de energía renovable que no se consume, y que, a día de hoy, se desperdicia. Como nos apuntaba Andrew Hessel en el artículo mencionado, el rendimiento de las energías renovables es intermitente, por lo que el suministro de electricidad a partir de estas fuentes también es variable. A veces no es suficiente para satisfacer la demanda, mientras que en ocasiones se produce demasiada y se desperdicia o se deja de producir. Conectar una instalación de hidrólisis y una pila de combustible con instalaciones de energías renovables, resolvería la intermitencia: Se aprovecharían las horas valle de demanda para generar hidrógeno y se podría utilizar la pila de combustible en las horas valle de generación de renovables. Así lo apunta un estudio llevado a cabo por la Universidad Stanford y la Universidad Técnica de Múnich. 

Respecto a las tecnologías necesarias para la generación de hidrógeno (electrolizadores) y su uso para generar electricidad (pilas de combustible), existen innovaciones prometedoras: 

• Los electrolizadores que tienen por delante un camino de innovación y de avances tecnológicos, pero que mejores resultados pueden dar en el futuro, son los de óxido sólido (SOEC), que utilizan un material cerámico sólido como electrolito. Tambien los de fotoelectrólisis, que utilizan únicamente luz solar para separar las moléculas de agua sin necesidad de electricidad. 
• Investigaciones recientes demuestran que se puede llegar a eficiencias energéticas de hasta el 98%.   
• Las pilas de combustible también están en un proceso de mejora en cuanto a rendimiento, precio y sostenibilidad. Las patentes alrededor de las pilas de combustible no paran de crecer, según la Organización Mundial de la Propiedad Intelectual. Sus aplicaciones son muchas: desde pequeñas pilas para carga de móviles y portátiles, pasando por pilas para el transporte y llegando a las grandes pilas estacionarias como “acumuladores” de energía renovable como se apuntaba más arriba. En función de su uso, utilizan un tipo determinado de electrolito y de catalizador. Lo más prometedor en este campo son las pilas de óxido sólido (SOFC), que deben mejorar mucho en cuanto a coste de fabricación.  

Un proyecto europeo que quiere demostrar la viabilidad del hidrógeno verde

Para terminar, resaltar la importancia de las iniciativas público-privadas para demostrar la viabilidad del hidrogeno verde dentro del ecosistema social, económico y productivo en el que vivimos. 

¿Cómo sería un mundo funcionando con hidrógeno verde? El proyecto HEAVENN (H₂ Energy Applications in Valley Environments for Northern Netherlands], en el que participan más de 31 entidades públicas y privadas europeas y con una inversión de más de 1.000 millones de euros, pretende hacerlo realidad, con lo que denominan el Hydrogen Valley: 

No dejes de visitar nuestra web. Próximamente, analizaremos las iniciativas que están desarrollando los países más punteros y las startups que están liderando este cambio de paradigma energético. 

Si quieres profundizar en otras tendencias innovadoras, te invitamos a que explores nuestro conectoma.