Solución de producción de hidrógeno verde

En términos generales, el hidrógeno se puede utilizar como combustible de dos formas principales. Puede quemarse para producir calor o introducirse en una pila de combustible de hidrógeno para generar electricidad. La buena noticia es que una vez producido el hidrógeno azul o verde, tiene una variedad de aplicaciones diferentes:
Transporte:El hidrógeno ya se está utilizando para alimentar autobuses y otras formas de transporte público, especialmente en Japón. También se puede utilizar para impulsar camiones y trenes de carga, mientras que los combustibles a base de hidrógeno, como el amoníaco, se pueden utilizar en la aviación y el transporte marítimo. Un uso más generalizado del hidrógeno para propulsar vehículos dependerá de que el precio de las pilas de combustible de hidrógeno se abarate y de que las estaciones de servicio de hidrógeno sean más comunes.

Generación de energía:El hidrógeno se puede utilizar para convertir fuentes de energía renovables en un combustible que luego pueda almacenarse y transportarse a largas distancias. El hidrógeno y el amoníaco también se pueden utilizar en turbinas de gas y centrales eléctricas de carbón para reducir sus emisiones.

Calefacción de edificios:El hidrógeno tiene un enorme potencial para sustituir al gas natural en la calefacción de edificios domésticos y comerciales a través de la infraestructura de gas natural existente. Las calderas de hidrógeno y las pilas de combustible de hidrógeno domésticas requieren un mayor desarrollo, pero podrían desempeñar un papel importante en el futuro.

Industria:El hidrógeno se utiliza actualmente en una amplia gama de procesos industriales importantes. Estas incluyen refinar gasolina, fabricar acero, tratar metales y producir una variedad de productos químicos.

A diferencia del hidrógeno gris, el hidrógeno verde es totalmente renovable tanto en su materia prima como en su suministro de energía. Como material de origen, el hidrógeno verde hoy en día generalmente se genera a partir de agua mediante un proceso conocido como electrólisis, que utiliza una corriente eléctrica para dividir el agua en sus moléculas componentes de hidrógeno y oxígeno. Esto se hace usando un dispositivo llamado electrolizador, que utiliza un cátodo y un ánodo (electrodos cargados positiva y negativamente). Este proceso produce únicamente oxígeno (o vapor) como subproducto. En cuanto al suministro de energía, para calificar como "hidrógeno verde", la fuente de electricidad utilizada para la electrólisis debe provenir de energías renovables, como la eólica o la solar.

Hay tres tipos principales de electrolizadores:Alcalino, membrana de intercambio de protones (PEM) y óxido sólido. Estos varían en la naturaleza del material electrolítico utilizado. Los electrolizadores alcalinos utilizan una solución acuosa con una sal alcalina para permitir la conductividad eléctrica, mientras que los electrolizadores PEM utilizan una membrana de polímero sólido (electrolito). Los electrolizadores de óxido sólido utilizan material cerámico sólido como electrolito, lo que les permite funcionar con una mayor eficiencia eléctrica y temperaturas mucho más altas. Esto permite el uso de vapor y calor externo como fuentes de energía en lugar de depender de la electricidad. Por lo tanto, la electrólisis de óxido sólido permite costos de operación significativamente más bajos, ya que el calor suele ser menos costoso y, a veces, se produce naturalmente como subproducto de ciertos procesos industriales.

Hace años, el hidrógeno se consideraba sólo una solución para la evolución de vehículos más ecológicos. A medida que los vehículos eléctricos han ganado más tracción, el hidrógeno se considera cada vez más una solución para otras industrias.

La demanda de hidrógeno continúa aumentando a medida que su uso se expande en las industrias industriales y manufactureras para una variedad de propósitos, incluida la refinación de petróleo, la fabricación de acero y la producción de cemento. Sin embargo, a medida que crece la popularidad del hidrógeno, no se puede subestimar la importancia del hidrógeno verde. Es alarmante que el 98% del hidrógeno se fabrica a partir de combustibles fósiles sin que existan controles ni regulaciones sobre las emisiones de dióxido de carbono. Pero el hidrógeno verde tiene el potencial de cambiar eso, para siempre.

Desde el humo de la producción de plantas comerciales hasta los gases de escape de los automóviles que funcionan con gasolina y diésel, la producción de hidrógeno verde reduce o elimina la necesidad de fuentes de energía de combustibles fósiles que liberan grandes cantidades de dióxido de carbono al aire. En la industria de los centros de datos, a medida que los sistemas de almacenamiento desarrollan hidrógeno, se puede utilizar en lugar de generadores de respaldo alimentados por diésel para energizar los futuros centros de datos. Como resultado, los beneficios del hidrógeno verde abundan, lo que permite a los gobiernos y organizaciones reforzar la seguridad energética nacional, conservar combustible, reducir las emisiones generales y diversificar las opciones de energía para el transporte, desde automóviles hasta sistemas de transporte público expansivos.

La tecnología del hidrógeno verde no podría haberse introducido en un mejor momento. La Administración de Información Energética de EE.UU. predice que la demanda mundial de energía aumentará un 47% para 2050. La única manera de compensar esa demanda en forma de producción de energía de petróleo y carbón es adoptando métodos más ecológicos, como el hidrógeno verde.

Y gracias a los avances tecnológicos que esencialmente han descarbonizado la producción de hidrógeno, muchas empresas están recurriendo a compensaciones de carbono que aprovechan el hidrógeno verde para reducir su huella de carbono y cumplir objetivos ESG agresivos.

El proceso de generación de hidrógeno verde tiene ventajas. La Agencia Internacional de Energía (AIE) afirma que el hidrógeno verde ahorra aproximadamente 830 millones de toneladas de dióxido de carbono emitidas anualmente en comparación con cuando el gas se produce utilizando métodos tradicionales de combustibles fósiles. ¡Eso equivale a las emisiones de todo un año del Reino Unido e Indonesia combinados!

Al igual que con cualquier tecnología nueva, existen algunos desafíos que superar a medida que se afianza el auge del hidrógeno verde. Algunas cuestiones a considerar incluyen la eficiencia de los procesos y los costos de producción a gran escala, además de establecer soluciones de almacenamiento presurizado a largo plazo. Dejando a un lado los desafíos, el hidrógeno verde es una nueva e interesante tecnología que podría ayudar a equilibrar la tan necesaria producción a gran escala de energía verde.

Una gran parte del abandono de los combustibles fósiles implica electrificar algunas de las máquinas que utilizamos diariamente y que funcionan con petróleo y gas (automóviles y transporte local, y calefacción para hogares en algunos países, por ejemplo). Para aquellos que ya están electrificados, como las computadoras y los electrodomésticos, la electricidad procedente de la energía nuclear y las energías renovables como la eólica y la solar están reemplazando al carbón.

Pero hay algunas industrias que requieren tanta energía que las energías renovables tradicionales no pueden satisfacer su demanda. Eso es un problema, porque esas industrias se encuentran entre los principales emisores de gases de efecto invernadero.

Aquí es donde los expertos dicen que el hidrógeno verde tiene un enorme potencial.
"La electricidad procedente de fuentes como la eólica, la solar y la nuclear es esencial para descarbonizar nuestro sistema energético, pero no puede hacerlo sola, y el transporte de larga distancia y las industrias pesadas son el origen de las emisiones más difíciles de reducir", afirmó un analista energético de la Agencia Internacional de Energía.

"El hidrógeno es lo suficientemente versátil como para llenar algunos de estos vacíos críticos: al proporcionar materias primas vitales para las industrias química y del acero o ingredientes cruciales para combustibles bajos en carbono para aviones y barcos", dijo Remme a CNN.

Operar un avión o un barco grande, por ejemplo, requiere tanta energía que cualquier batería utilizada para almacenar electricidad solar o eólica probablemente sería demasiado grande y pesada para el barco. El hidrógeno verde, por otro lado, puede venir en forma líquida y es más ligero. Según Airbus, que está desarrollando un avión comercial de cero emisiones, la densidad energética del hidrógeno verde es tres veces mayor que la de los combustibles para aviones que utilizamos hoy en día.

Si bien el hidrógeno verde líquido no emitiría carbono, tiene algunas limitaciones. Cuando se quema en la atmósfera abierta, se libera una pequeña cantidad de óxido nitroso, que es un potente gas de efecto invernadero. Sin embargo, si el hidrógeno se alimenta a través de una pila de combustible, sólo emitirá agua y aire caliente.

Algunos aviones pequeños han logrado volar con pilas de combustible alimentadas con hidrógeno, aunque la tecnología aún no se ha ampliado comercialmente.

Actualmente todo el mundo está manos a la obra para alcanzar los objetivos climáticos. La transición energética realmente necesita un gran impulso. El hidrógeno puede contribuir de forma importante a ello. La colaboración es esencial para poder utilizar el hidrógeno con éxito, por ejemplo, para contribuir a la reducción de CO2 en la industria, los combustibles electrónicos para aviones y su uso en el entorno construido. Pero se necesitan inversiones y hay preguntas.

¿Qué es el hidrógeno?
El hidrógeno es el elemento más común en nuestro universo. En circunstancias normales es gaseoso y hablamos de gas hidrógeno (H2). El hidrógeno es también el gas más ligero que conocemos y, por tanto, tiene una baja densidad energética por unidad de volumen (en m3). Por peso (en kg), el hidrógeno tiene una alta densidad energética de 120 megajulios (MJ) por kg. Esto es casi tres veces más que el gas natural (45 MJ por kg). El hidrógeno suele estar presurizado. Sin embargo, para presurizar (comprimir) gas hidrógeno también se requiere la energía necesaria (alrededor del 10%).

¿Qué es el hidrógeno gris y azul?
Casi todo el hidrógeno que se produce actualmente en el mundo es el llamado "hidrógeno gris". Actualmente, la producción se realiza mediante reformado de metano con vapor (SMR). Aquí el vapor a alta presión (H2O) reacciona con el gas natural (CH4) dando como resultado hidrógeno (H2) y el gas de efecto invernadero CO2. En los Países Bajos se producen de esta manera aproximadamente 0.8 millones de toneladas de H2, utilizando cuatro mil millones de metros cúbicos de gas natural y generando unas emisiones de CO2 de 12,5 millones de toneladas.
El término "hidrógeno azul" o "hidrógeno bajo en carbono" se utiliza cuando el CO2 liberado en el proceso de producción de hidrógeno gris se captura y almacena en gran medida (80-90%). Esto también se llama CCS: Captura y Almacenamiento de Carbono. Esto podría suceder en yacimientos de gas vacíos bajo el Mar del Norte. En ningún otro lugar del mundo se produce hidrógeno azul a gran escala.

¿Qué es el hidrógeno verde?
El hidrógeno verde, también conocido como 'hidrógeno renovable', es hidrógeno que se produce con energía sostenible. La más conocida es la electrólisis, en la que el agua (H2O) se divide en hidrógeno (H2) y oxígeno (O2) mediante electricidad verde. Un gran número de partidos en los Países Bajos están experimentando con estos electrolizadores de escala de megavatios. El hidrógeno también se libera durante la gasificación de biomasa a alta temperatura.

¿Qué es el hidrógeno turquesa?
El hidrógeno producido a partir de gas natural mediante la llamada tecnología de pirólisis de metal fundido se denomina "hidrógeno turquesa" o "hidrógeno bajo en carbono". El gas natural pasa a través de un metal fundido que libera gas hidrógeno y carbono sólido. Estos últimos pueden encontrar una aplicación útil, por ejemplo, en neumáticos de automóviles. Esta tecnología aún se encuentra en fase de laboratorio y harán falta al menos diez años para poder realizar la primera planta piloto.

¿Cuáles son las diferencias fundamentales adicionales entre el azul y el verde?
Además del método de producción, existen otras diferencias clave:
Sólo el hidrógeno verde producido mediante electrólisis garantiza que grandes cantidades de electricidad sostenible producida en el mar y en la tierra puedan integrarse adecuadamente en nuestro sistema energético. Sólo la electrólisis puede convertir la electricidad en hidrógeno de manera flexible (según demanda) y luego almacenarla.
Además, el desarrollo de la electrólisis a gran escala ayudará a satisfacer la creciente demanda de electricidad y estimulará así el crecimiento de la energía sostenible.
También hay una diferencia en la calidad. El hidrógeno verde tiene un mayor grado de pureza y puede utilizarse inmediatamente, por ejemplo, en la pila de combustible de un vehículo. El hidrógeno azul tiene un nivel de pureza más bajo, suficiente para aplicaciones industriales.
La producción de hidrógeno azul es una forma de 'descarbonizar' la industria, es decir, reducir el CO2, a gran escala y con un coste relativamente bajo.

¿El hidrógeno blanco del suelo es la fuente de energía limpia del futuro?
Ya conocemos el hidrógeno gris, azul y verde, pero ahora parece que también está disponible el hidrógeno blanco o natural. Proviene del suelo, al igual que el gas natural. Cuando el hidrógeno se quema con oxígeno, sólo se libera agua. El hidrógeno blanco es un hidrógeno natural del subsuelo que tiene el potencial de convertirse en una importante fuente de energía del futuro si se produce mediante electrólisis del agua con energía eólica o solar (verde).
Entonces no se fabrica a partir de cenizas naturales ni de carbón (gris), ni siquiera capturando primero el CO2 (azul). El gas se utiliza principalmente para calentar procesos en la industria química y en la producción de acero y fertilizantes. En la transición de la energía fósil a la verde, puede servir como reserva de almacenamiento de electricidad durante los períodos sin sol ni viento.

¿Qué papel juega el hidrógeno en la transición energética?
En nuestra combinación energética actual, aproximadamente el 20% se suministra en forma de electricidad y el 80% en forma de gas natural o combustibles fósiles líquidos (gasolina, diésel). Nuestros objetivos climáticos van a cambiar considerablemente esta situación en un futuro próximo. La proporción de electricidad generada por energía eólica y solar aumentará considerablemente. Para numerosas aplicaciones, como el transporte pesado, los procesos de alta temperatura en la industria y la aviación, todavía falta una buena solución eléctrica y sigue siendo necesario un gas sostenible. El hidrógeno puede desempeñar un papel útil aquí. Además, el hidrógeno es importante en forma de almacenamiento a gran escala para aquellos momentos en los que no hay viento y está nublado.

¿Qué países también están trabajando en el hidrógeno?
Países como Noruega, Australia, Marruecos, Chile, Arabia Saudita, China y Japón son muy activos con el hidrógeno verde, principalmente porque existe una considerable (potencial) disponibilidad de energía renovable barata procedente de la energía eólica, solar o hidroeléctrica para producir hidrógeno verde. Sin embargo, una excepción a esto es Japón, que depende en gran medida de las importaciones para su suministro energético y ha desarrollado una estrategia para importar hidrógeno (verde) a gran escala. Su papel clave reside en el desarrollo tecnológico. Los Países Bajos están en una buena posición gracias en parte a nuestro conocimiento de la tecnología del gas y la electrólisis, el gran potencial de la energía eólica en el Mar del Norte y la industria de uso intensivo de energía que necesita hacer un fuerte compromiso con la sostenibilidad.

¿Para qué vamos a utilizar el hidrógeno?
El hidrógeno es particularmente importante para la industria de procesos. Actualmente se utiliza principalmente para la producción de fertilizantes, pero en el futuro también podrá utilizarse para procesos de alta temperatura, como la producción de acero, para la que ahora se utiliza gas natural o carbón. Además, el hidrógeno desempeñará un papel en la movilidad, por ejemplo, para los autobuses interurbanos que tienen que cubrir distancias más largas y donde la conducción eléctrica no es una solución.

¿Qué significa el hidrógeno para el ciudadano?
A corto plazo no habrá mucho que sea evidente. El uso de hidrógeno en los hogares, por ejemplo, tardará mucho en llegar, si es que llega a suceder. Para la mayoría de los hogares, una red térmica colectiva o una bomba de calor eléctrica ofrecen una mejor solución. En el tráfico, el número de coches de hidrógeno (actualmente menos de cien) y el número de estaciones de servicio de hidrógeno (en 2018: 3) aumentarán lentamente.

¿Cuáles son los riesgos?
El hidrógeno es un gas muy ligero, altamente inflamable y se utiliza en movilidad bajo presiones de hasta 700 bar. Como cualquier otro gas, es importante manipularlo con cuidado durante su producción, transporte y uso, y dejarlo exclusivamente en manos de empresas profesionales. Si se va a utilizar hidrógeno en los gasoductos existentes, es importante investigar más a fondo cómo se "comporta" realmente el hidrógeno en la práctica. El hidrógeno es más ligero que el gas natural y puede escapar más fácilmente de válvulas y sellos.

¿Qué está haciendo TNO en términos de investigación del hidrógeno?
TNO es una organización independiente que lleva a cabo investigaciones aplicadas de vanguardia. Su investigación sobre el hidrógeno se centra en la producción, la infraestructura y las aplicaciones (conversión y uso final). En 2020, TNO llevó a cabo más de 50 proyectos relacionados con estos temas. A continuación se pueden encontrar enlaces a una selección de estos proyectos (elemento 15).

¿Qué tan avanzado está el desarrollo del hidrógeno verde?
Entre 2000 y 2018 entraron en funcionamiento unos 230 proyectos de electrólisis con una capacidad total de unos 100 MW (fuente: AIE 2019, El futuro del hidrógeno). En 2020, la capacidad instalada global era de 200 MW y aproximadamente 2.400 MW a finales de 2023. Estas cifras muestran que apenas estamos comenzando y que necesitamos desarrollar una cadena de suministro completamente nueva.
Necesitamos nuevas empresas, nuevos proveedores y nuevos fabricantes para desarrollar materiales y componentes para sistemas de electrólisis más grandes y de próxima generación. Esta es una oportunidad de oro para la industria holandesa de alta tecnología. El objetivo de la Unión Europea es instalar 40 GW de capacidad de electrólisis en la Unión de aquí a 2030 y otros 40 GW en el norte de África. Lograr este objetivo requerirá que aceleremos el ritmo tanto de la innovación tecnológica como de los proyectos reales.

¿Cuáles son los mayores desafíos técnicos que plantea la electrólisis?
En cuanto a la electrólisis del agua, actualmente existen cuatro tecnologías disponibles (AEM, SOE, PEM y Alcalina), cada una con sus ventajas, desventajas y nivel de madurez específicos. Eche un vistazo a nuestro vídeo sobre la producción de hidrógeno mediante electrólisis (se abre en una nueva ventana o pestaña) (se refiere a un sitio web diferente). Para las cuatro tecnologías, los tres principales desafíos de investigación son:
Reducir el gasto de capital asociado con el sistema.
para mejorar la eficiencia del sistema
superar las barreras a la producción a gran escala para que de aquí a 2030 se pueda alcanzar una capacidad de producción anual de electrolizadores en todo el mundo de 30 GW.

Los productos se venden en todas las regiones de China y se exportan a países de todo el mundo. Se han vendido en más de 20 países y regiones, incluidos Estados Unidos, Alemania, Marruecos, Kenia, Arabia Saudita, Vietnam, Argelia, India, Tanzania y Taiwán. Proporcionó con éxito empresas reconocidas como China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group y otras empresas reconocidas. Hay muchas estaciones de hidrogenación de hidrógeno verde, como Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, etc., que ofrecen proyectos ecológicos y de producción de hidrógeno.