¿Qué es el HIDRÓGENO VERDE? ¿Cómo se produce?

¿Alguna vez te has preguntado cómo es que tenemos acceso a tantos productos fabricados en otros países?… ¿o te has preguntado qué tanto contribuye eso al cambio climático?

La economía actual depende en gran medida de grandes navíos que transportan mercancía de un lado a otro. Se calcula que alrededor de 9 mil millones de productos son transportados anualmente… esos vehículos y muchos otros, dependen de combustibles fósiles. 

Se estima que el transporte marítimo de mercancías de todo tipo es responsable de alrededor del 3.1% de las emisiones de CO2 globales. En 2017, esto fue alrededor de 870 millones de toneladas. Además de emitir CO2, el combustible que utilizan estos navíos libera compuestos nitrogenados y sulfurados que contribuyen a la creación de smog, lluvia ácida, y otros problemas ambientales y de salud. ¿Algún día tendremos alternativas para estas emisiones de contaminantes?

Probablemente has escuchado hablar de la electrólisis del agua: se coloca un vaso con agua y sales disueltas, se introducen dos electrodos, se hace pasar corriente y a partir de ahí se obtienen oxígeno e hidrógeno gas. 

Esta no es la única manera de jugar con esta reacción. Podemos dividirla en dos partes utilizando una celda electroquímica de manera que en lugar de aplicar electricidad, obtengamos electricidad.

Necesitamos oxígeno gas, hidrógeno gas, catalizador y una membrana. En uno de los lados del equipo se alimenta hidrógeno gas molecular, que son dos átomos de hidrógeno juntos que van a ser divididos por el catalizador en iones hidrógeno, cuando esto ocurre se separan sus respectivos electrones, que son forzados a viajar a través de un circuito, produciendo corriente eléctrica. Por su parte, los iones hidrógeno pasan a través de la celda hacia el otro lado donde tenemos oxígeno gas, aquí se unen los electrones que se habían separado y todo reacciona para formar agua con ayuda de otro catalizador… 

Para obtener mayor corriente eléctrica, podemos colocar muchas celdas haciendo un arreglo.

¿Y por qué no hemos escuchado hablar tanto del hidrógeno como energía limpia?

¡Si la electrólisis se hace como ejercicio escolar desde hace años!

El hidrógeno es muy reactivo, por lo que es muy difícil encontrarlo en la naturaleza solito, normalmente lo encontramos como parte de otras moléculas. Si queremos utilizarlo entonces necesitamos un proceso que primero nos permita sacarlo de esas moléculas. Estos procesos son muy demandantes energéticamente hablando. De hecho el proceso electroquímico que te acabo de platicar para obtener hidrógeno no es el único que existe, existen distintos procesos industriales. 

El 43.8% del hidrógeno producido en el 2020 se obtuvo por un proceso llamado “reformado de metano con vapor”, en el que se puede obtener el hidrógeno del metano, desafortunadamente uno de los productos de ese proceso es CO2: se obtienen 4 moléculas de hidrógeno por 1 de CO2… así que este proceso industrial no nos hace tan felices.

Para darte el panorama completo, te cuento que el hidrógeno por colores, dependiendo de qué tan contaminante sea el proceso con el que se obtuvo..

El 13.4% del hidrógeno producido en el 2020, se llama hidrógeno café y viene de un proceso con carbón a partir de un proceso llamado “gasificación”.

El hidrógeno gris es el grupo más grande de toda la producción de hidrógeno a partir de gas natural u otros combustibles fósiles: como decíamos, 43.8 % viene a partir de reformado de metano con vapor.

Se estima que la producción global anual de hidrógeno en 2020 implicó una producción de 87 millones de toneladas de CO2. Esto quiere decir que aunque no estemos tan enterados del uso de este combustible, el hidrógeno se usa mucho en la industria, sobretodo en refinación de otros combustibles, producción de amoniaco y producción del acero.

El hidrógeno azul sigue siendo producido a partir de combustibles fósiles pero incorpora en su proceso un paso de captura y depósito de carbón para que no se libere a la atmósfera.

Finalmente, el hidrógeno verde sí se produce a partir de electrólisis y utilizando energía renovable, este proceso NO libera CO2,  es más limpio de todos pero todavía es costoso, por eso no ha llegado a ser tan común.

El hidrógeno verde puede Inclusive ser una manera de almacenar la energía renovable que abunda en ciertos horarios y luego deja de estar disponible, que si recuerdas era una de las dificultades que platicamos en este otro video sobre las energías renovables. De hecho en Utah ya existe un plan para construir un almacenamiento energético en hidrógeno para 1000 Megawatts. Este proyecto idealmente debe tener operativa la primera fase de 250 Megawatts en 2025.

La idea es producir con energía renovable y un sistema electroquímico, muchísimo hidrógeno que se mantendrá parcialmente en un domo subterráneo constituido por cavernas saladas y cuando se requiera energía en la red, se obtendrá del almacén de hidrógeno. Se espera que se pueda almacenar suficiente material para la planta eléctrica que ya existe ahí, a un lado, que actualmente funciona con carbón y está programada para dejar de hacerlo en 2025. La idea es que esta planta se convierta para utilizar turbinas que trabajen primero con una mezcla de gas natural e hidrógeno con el objetivo final de que opere 100% con hidrógeno verde hacia el 2045.

¿En qué áreas será posible ver un aumento en el uso de hidrógeno verde próximamente?

El hidrógeno tiene ventajas en su uso en los vehículos de transporte porque es una fuente energética. Para convertir el hidrógeno en energía, se utilizan celdas electrolíticas con membranas, agrupadas para producir suficiente energía.

El vehículo, además de la celda electroquímica debe tener un tanque de hidrógeno presurizado que envía el hidrógeno gas en forma de molécula a la celda, tal como te mencionaba antes, alimentamos hidrógeno que reacciona con el catalizador que normalmente es platino, al pasar el hidrógeno a través del catalizador se separa en iones hidrógeno y sus electrones deben pasar por un circuito externo creando corriente. Como esto ocurre simultáneamente en todas las celdas, se produce más corriente eléctrica, suficiente como para mover el motor eléctrico del vehículo. El producto de esta reacción, es agua.

Momento, pero si estamos produciendo electricidad para mover un motor eléctrico…

¿No es mejor usar vehículos eléctricos tal cual?

El uso de hidrógeno tiene ventajas. Cinco minutos de carga de hidrógeno presurizado te permite viajar más distancia que 45 minutos de carga en una estación eléctrica.

La relación de almacenamiento energético del hidrógeno por volumen y peso es alrededor de cinco veces mayor que el almacenamiento que se tiene en este momento en el caso de vehículos eléctricos.

Además hay un detalle espinoso que te platiqué en este video sobre los vehículos eléctricos: las baterías que se requieren utilizar para los vehículos eléctricos son difíciles, caras y contaminantes de reutilizar o reciclar.

Esta relación de almacenamiento energético también explica por qué se considera una opción para la industria del transporte marítimo e inclusive aviones. Transportes que no han migrado al uso de baterías eléctricas porque serían muy ineficientes por el peso que éstas implicarían. Básicamente entre más grande el vehículo que hay que mover, mayor ventaja hay al usar hidrógeno comparado con sistemas de baterías eléctricas. La empresa Maersk de transporte marítimo es una de las cuales está explorando opciones para la migración tecnológica con la expectativa de que para el 2050 sus emisiones de carbono sean cero.

En el caso de aviones, ZeroAvia, tienen contemplados comenzar con vuelos de aeronaves pequeñas de cero emisiones de carbono en el 2022, ellos ya han hecho pruebas piloto exitosas. Alaka’i Technolgies está en el proceso de hacer pruebas piloto todavía pero algo curioso es que plantean despegues y aterrizajes verticales y la tercera empresa que encontré que comenzará a utilizar hidrógeno para volar es Icelandair en colaboración con Universal Hydrogen… ellos dicen que van a cambiar el modelo de turbina clásico pensando en la analogía de las cápsulas de café… quizás han visto estas máquinas que en lugar de meterle granos de café o café soluble se le introducen cápsulas… en este caso la idea es que la aeronave cargue “cápsulas de hidrógeno”. Ellos planean aprovechar la energía renovable de sobra que tiene Islandia de esta manera y esperan en el 2025 ya tener vuelos comerciales de corta distancia y aviones de hasta 100 asientos para el 2035.

¿Y los coches compactos?

Esta conversión a hidrógeno ha sido lenta. A finales de 2019 se estimaba que en el mundo había unos 18,000 automóviles del tipo, cuando al mismo tiempo había 7.9 millones de automóviles eléctricos.

Las marcas que ofrecen vehículos de hidrógeno hoy son Hyundai, Toyota y Honda y son más caros que sus contraparte eléctricos.

Pero como decíamos, entre más grande el vehículo, mejor la relación de almacenamiento energético. Hyundai, Toyota y su subsidiaria Hino de trailers ya están trabajando en vehículos de este tipo pero impulsados por hidrógeno. 

La empresa francesa total de combustibles ha comenzado a invertir en el startup hyzen motors de trailers y camiones impulsados por hidrógeno.

Por otro lado, así como debió haber sido difícil hacer una red de distribución para que los vehículos basados en hidrocarburos cuando recién aparecieron… uno de los problemas actuales para la masificación del uso del hidrógeno es que se requiere hacer toda una red de distribución para este combustible también.

Este año, al parecer solo existen 443 estaciones de hidrógeno en el mundo.

Un argumento muy frecuentemente referido al hablar de la red de distribución que se necesita para usar el hidrógeno de manera masiva consiste en que el material debe mantenerse en ciertas condiciones de presión y temperatura durante todo el transporte y eso por sí mismo cuesta energía. Por cierto aquí es donde reside un gran costo de todo este proceso, típicamente el hidrógeno debe mantenerse a una presión de 700 bar. De tal suerte que se estima que la energía que se obtiene después de un largo proceso de transporte del hidrógeno gas podría  implicar una pérdida de hasta el 70% de la energía que nos da como combustible. Afortunadamente el hidrógeno es muy denso energéticamente de manera que si por ejemplo compras un kilogramo de hidrógeno para tu vehículo, aunque pueda costar igual que un galón de gasolina, pero el consumo de hidrógeno para mover tu vehículo será de 2 a 3 veces más eficiente.porque es una reacción electroquímica y no una combustión.

También se está trabajando en materiales que permitan el almacenamiento del hidrógeno sin que se requiera tanta presión, por ejemplo un material llamado KMH-1 (Kubas Manganese Hydride-1) permite almacenar el hidrógeno a temperatura ambiente y solo requiere una presión de 120 bar. Este material es inclusive más económico que las baterías clásicas de litio.

¿Cuáles son las estimaciones de uso del hidrógeno verde en el futuro?

BofA Securities, división de Bank of America, estima que para el 2050, el hidrógeno verde cubra el 22% de la demanda energética mundial, lo cual implica que se realice en el futuro una enorme inversión en infraestructura, que podría ser posible eventualmente dado que los costos en esta área también siguen bajando tal como sucede con las energías verdes que hemos comentado en otros videos.

El futuro, si es que sobrevivimos a la llegada del apocalipsis en cámara lenta que YA tenemos encima… viene de la mano de las energías verdes.

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