Juan Fonseca, Analista técnico de servicios especializados IIGE.
El hidrógeno es uno de los vectores imprescindibles para la descarbonización de la economía a mediano y largo plazo. Fuente: worldbank.org
El hidrógeno (H2) es el gas más ligero de la tabla periódica de los elementos y, es extremadamente volátil. Tiene una densidad de 0,0899 kg/m3; es decir, siete veces más ligero que el vapor de agua, con alta densidad energética y un alto contenido de energía por unidad de masa, con poder calorífico superior equivalente a 141 MJ/kg y un poder calorífico inferior igual a 119 MJ/kg, siendo el poder calorífico inferior del hidrógeno tres veces superior al de la gasolina [1].
A su vez, el hidrógeno no tiene características de toxicidad ni contribuye al efecto invernadero, por lo cual, es un elemento con características excepcionales que son claves para lograr sostenibilidad energética, considerando que se encuentra básicamente en forma de agua.
Como parte del desarrollo del hidrógeno como fuente de energía, se han generado varias iniciativas, una de ellas es Hydrogen Hub en Reino Unido; la cual, es una comunidad formada por autoridades y miembros clave de la industria que impulsan, lideran y proporcionan una dirección estratégica en el desarrollo de proyectos de tecnologías de hidrógeno y pilas de combustible a escala local y nacional, para asegurar energía rentable, limpia y segura en diferentes sectores, dentro de ellos el transporte [6]. No se considera una fuente de energía primaria como los combustibles fósiles o energías renovables, sino, como un medio para almacenar y transportar energía; es decir, un vector energético [11].
De acuerdo con un informe del año 2019, de la Agencia Internacional de la Energía (IEA, por sus siglas en inglés) [8], el hidrógeno es uno de los vectores imprescindibles para la descarbonización de la economía a mediano y largo plazo; debido a que, su principal ventaja como combustible es que no genera emisiones de Gases de Efecto Invernadero (GEI) adicionales (como por ejemplo en celdas de combustibles o en procesos de producción industriales). Debido a estas características puede ayudar a descarbonizar sectores como el transporte y la industria, siempre y cuando no se liberen emisiones de GEI en su producción, por lo que sus múltiples usos potenciales en estos aspectos podrían convertir a este elemento como un combustible clave para la integración de los distintos sectores energéticos en el futuro [3].
Según datos de la Agencia Internacional de la Energía [8], la demanda actual de hidrógeno mundial es de unos 110 Mt (millones de toneladas), equivalentes a 14,4 EJ (exajulios), o unos 4.000 TWh (tera vatio hora); siendo dos tercios de esta demanda en su forma pura y un tercio aparece mezclado con otros gases. Alrededor del 95 % de la producción de hidrógeno se basa en combustibles fósiles: gas natural, siendo el 48 % del total (hidrógeno gris), que se lo obtiene mediante la reforma de metano con vapor de agua (steam methane reforming, SMR) [8], mediante el petróleo (o también hidrógeno gris) el 30 % y, mediante la gasificación del carbón (hidrógeno marrón) el 18 % [9].
Por otra parte, se puede obtener el hidrógeno de manera más limpia, a través de fuentes renovables y libres de carbono como el “hidrógeno verde”, que se produce a partir de electricidad 100 % renovable y electrólisis del agua, separando el hidrógeno del agua mediante corriente eléctrica sin emitir dióxido de carbono a la atmósfera. Esta manera de obtener este elemento ahorraría 830 millones de toneladas anuales de CO2 que se originan cuando este gas se produce mediante combustibles fósiles. De igual manera, el reemplazar todo el hidrógeno gris mundial significaría 3.000 TWh de energía renovable adicional al año [7].
La Agencia Internacional de la Energía y la Agencia Internacional de las Energías Renovables (IRENA), consideran que un conjunto de países cuenta con potencial para el desarrollo del hidrógeno verde, principalmente condicionado por su capacidad para producir energía eólica y/o solar de bajo costo en base al proceso de electrólisis, estos son: Australia, Nueva Zelandia, África del Norte (Marruecos, Argelia y Egipto), Mongolia, China y Chile, entre otros. Los mencionados países para el año 2030 serán competitivos frente a otros productores de combustible, lo que incluye a productores del denominado hidrógeno azul (producido desde combustibles fósiles como el gas natural o carbón), entre los que estarían: Australia, Japón, Medio Oriente (Catar, Arabia Saudita, Emiratos Árabes Unidos), Norte de África, Estados Unidos de América e India [5].
El hidrógeno es uno de los tres vectores energéticos para descarbonizar el transporte, compitiendo y complementándose con el gas natural vehicular (Gas Natural Comprimido y Gas Natural Licuado), los biocombustibles (como el biometano), el gas natural vehicular u otros, generados a partir de hidrógeno verde y captura de CO2, y la electrificación [12]. Comparado con la electrificación, el hidrógeno supera las limitaciones de autonomía y elevados tiempos de recarga asociados a los vehículos eléctricos a batería. Comparado con los biocombustibles, evita el uso de grandes extensiones de terreno y el impacto en la calidad del aire, especialmente en las zonas urbanas densamente pobladas [2].
En lo que se refiere al transporte basado en movilidad eléctrica, el uso de hidrógeno desempeña un papel importante en diferentes tipos de vehículos eléctricos como: los vehículos eléctricos de batería (BEV), vehículos eléctricos con pilas de combustibles de hidrógeno (FCV) y vehículos eléctricos en base a bio o sintetizados combustibles líquidos. Para el primer caso, de acuerdo a las prestaciones del vehículo eléctrico de batería (BEV) es recomendable su uso en vehículos de poco tonelaje y con un rango diario de kilometraje inferior a los 100 kilómetros.
Para el segundo caso, los vehículos de pilas de combustible (FCV) el aprovechamiento del hidrógeno para producir electricidad, puede ayudar para la cobertura de mayores rangos de distancia; así también, este tipo de batería sirve mejor para las demandas de transporte de mayores pesos; autobuses, camiones de carga, camiones utilizados en empresa de minería; trenes sin necesidad de catenarias, transporte fluvial y marítimo. Con relación a los vehículos que funcionan con base a biocombustibles o sintetizados combustibles líquidos, el proceso más conocido para producir electrocombustibles a partir de hidrógeno, es el de Fisher-Tropsch, en la que una mezcla de gases de síntesis se convierte en hidrocarburos líquidos a partir de electricidad y son vislumbrados como la mejor solución sostenible para el transporte aéreo y marítimo de carga [11].
Figura 1. Aplicaciones del Hidrógeno en movilidad. [11]
Los vehículos de combustión interna actuales tan solo utilizan entre el 20 % y 25 % de la energía total consumida para moverse, mientras que el resto se disipa en forma de calor. Por otro lado, la eficiencia se ve mejorada con tecnología híbrida, aumentando un 30 % en vehículos eléctricos mejora hasta el 80 %, considerando las eficiencias de la batería y motores eléctricos. En vehículos de pila de combustible de hidrógeno, dicha eficiencia está en torno al 60 %, sin embargo, hay que considerar que previamente se ha tenido que convertir la electricidad en hidrógeno. Todo ello da una eficiencia global todavía ligeramente superior a la del motor de combustión interna [11].
Figura 2. Eficiencia energética de cada escalón desde el petróleo crudo hasta el movimiento de un automóvil [4]
En lo concerniente al almacenamiento, transporte y distribución del hidrógeno, estos representan retos tecnológicos y energéticos importantes para que su uso sea sostenible en diferentes sectores.
Las particularidades que se presentan para el almacenamiento de este elemento, para aplicaciones dentro del sector transporte, radican principalmente en que el volumen disponible es limitado; es decir, se necesitaría mayor infraestructura para almacenar una cierta cantidad de hidrógeno, por lo que se requiere que el mismo se licue o se comprima. Para transportar el hidrógeno se lo hace mediante tres formas; vía marítima para distancias largas que superen los 5000 km; transporte terrestre en camiones cisterna o cilindros para distancias más cortas 100 km; y mediante tuberías. Siendo esta última opción de distribución la más económica, ya que los costos de operación son bajos, sin embargo, representa un alto costo de inversión [11].
Ecuador cuenta con una capacidad instalada para generar 8.712,3 MW de energía eléctrica. Las fuentes de energía primaria que se encuentran dentro de la matriz energética de Ecuador son: petróleo (86,32 %); gas natural (4,26 %); hidroenergía (7,41 %); productos de caña (1,10 %); leña (0,80 %) y otras primarias como energía eólica, solar, biogás y otra biomasa (0,11 %). La composición de generación de energía eléctrica es de 77,3 % de fuentes renovables, principalmente de fuentes hidráulicas, un 20,1 % de fuentes térmicas y con aportes menores de Eólica, Fotovoltaica, Biogás y biomasa 1,8 % [10].
De manera adicional, Ecuador también cuenta con el Plan Maestro de Electrificación 2018 – 2027 como una herramienta integral e intersectorial para promover el uso de recursos energéticos renovables para la generación eléctrica; sin embargo, actualmente no cuenta con planes asociados al hidrógeno verde, ni está indicado en las Contribuciones No Determinadas (NDC, por sus siglas en inglés). Los planes nacionales no han considerado de momento una iniciativa para regular el uso de hidrógeno y no se cuenta con producción de hidrógeno a pequeña y gran escala, por lo que es importante la vinculación con diferentes sectores como la academia y sectores energéticos del país para establecer acciones y soluciones sostenibles con el fin de incorporar al hidrógeno como una fuente adicional para la descarbonización del transporte, el sector más energético intensivo y con más emisiones del país.
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BIBLIOGRAFÍA
[1] Badía, C. F. (2005). Propiedades del Hidrógeno. Tesis Doctoral, Química Orgánica, Universidad de Sevilla, España, 73–81.
[2] Brandon, N. P., & Kurban, Z. (2017). Clean energy and the hydrogen economy. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 375(2098). https://doi.org/10.1098/rsta.2016.0400
[3] Commission, E. (2015). A hydrogen strategy for a climate-neutral Europe. Dk, 53(9), 1689–1699.
[4] Fierro, J. L. G. (2012). El hidrógeno: metodologías de producción. Lychnos. Instituto de Catálisis y Petroleoquímica (CSIC)., 6, 50–54. http://www.fgcsic.es/lychnos/es_es/publicaciones/lychnos_num_06
[5] García, N. (2019). Estrategias para el desarrollo de la industria del hidrógeno verde. Energy Efficiency & Renewable Energy Department, 15. http://repository.lasallista.edu.co/dspace/bitstream/10567/874/1/ESTRATEGIAS_PARA_EL_DESARROLLO_DE_LA_PSICOMOTRICIDAD.pdf
[6] Hydrogenhub. (2021). hydrogenhub - who we are. https://www.hydrogenhub.org/
[7] IBERDROLA. (2021). El hidrógeno verde: una alternativa para reducir las emisiones y cuidar nuestro planeta. https://www.iberdrola.com/sostenibilidad/hidrogeno-verde
[8] IEA. (2019). The future of hydrogen. https://www.iea.org/reports/the-future-of-hydrogen
[9] IRENA. (2018). Hydrogen From Renewable Power: Technology outlook for the energy transition (Issue September). www.irena.org
[10] MERNNR/Ministerio de Energía y Recursos Naturales no Renovables. (2020). Balance Energético Nacional 2020. In Paper Knowledge . Toward a Media History of Documents. https://www.recursosyenergia.gob.ec/wp-content/uploads/2021/09/00-Balance-Energético-BEN-2020-Web-15-16.pdf
[11] Morante, J. R., Andreu, T., García, G., Guilera, J., Tarancón, A., & Torrell, M. (2020). Hidrógeno Vector energético de una economía descarbonizada.
[12] Staffell, I., Scamman, D., Velazquez Abad, A., Balcombe, P., Dodds, P. E., Ekins, P., Shah, N., & Ward, K. R. (2019). The role of hydrogen and fuel cells in the global energy system. Energy and Environmental Science, 12(2), 463–491. https://doi.org/10.1039/c8ee01157e