Hidrógeno verde y su almacenamiento energético: Estado del arte

Resumen

El hidrógeno es utilizado como producto para procesos en refinerías, industrias como la del amoniaco, metanol o siderúrgica, además de para el transporte, aporte energético en edificios o producción de electricidad. Su consumo en 2021 alcanzó las 94Mt de H2 a nivel global, cada gramo de producción actual de H2 emite aproximadamente 10 gramos de CO2 a la atmósfera.

Las previsiones de consumo según el IEA llegarán a 115Mt en 2030 y hasta 285Mt en 2050 gracias a su versatilidad como vector energético capaz de almacenar en diferentes formas energía sobrante proveniente de las renovables para su uso bajo demando y con la emisión solamente de vapor de agua en el caso del hidrógeno verde.

Su consumo es imprescindible para la industria actual, pero su producción puede hacerse de forma sostenible y sin emitir gases contaminantes a la atmósfera. La industria se sustenta mediante la obtención de hidrógeno por gasificación del carbón o reformado del metano, siendo estos muy contaminantes.

No obstante, la producción actual del hidrógeno sostenible conocido como verde representa apenas el 0,1% del total. El hidrógeno verde cuenta con el apoyo de las instituciones para su investigación, puesta en marcha y apoyo a la producción en su lucha por ser una alternativa. Este cambio supone un peso de hasta un 10% de los objetivos globales para llegar a las cero emisiones netas en 2050 impuesto en el Acuerdo de París de 2015.

La UE mediante su programa RePowerEU y la inversión de 225.000M EUR plantea para 2030 la producción de 10Mt de H2 y otras 10Mt importadas. España gracias a su posición y climatología dispone de los precios más baratos de energías renovables tanto solar como eólica de Europa, haciéndolo un territorio ideal para el aprovechamiento de estas en la producción de hidrógeno, se proyecta una producción de 1,4Mt de H2 para el año 2030.

La producción de este gas renovable utiliza como materia prima agua, biomasa o biogás; estos dos últimos son aplicables a pequeña escala por lo que no se contempla un crecimiento en el corto plazo. En cambio, el aprovechamiento del agua pasando por un proceso de electrólisis permite la separación del H2 y O2 gracias a la aplicación de corriente continua a dos electrodos sumergidos en el reactivo H2O. Actualmente, existen 2 tipos de electrólisis en el mercado siendo la de tipo alcalino la más desarrollada y barata y la de tipo PEM de la cual se obtiene hidrógeno de mayor calidad. Otros tipos de electrólisis como la SOEC o la AEM se encuentran en fase de pruebas, así como otras alternativas como la fotoelectrocatálisis o los ciclos termodinámicos.

El transporte del hidrógeno es una tarea difícil y arriesgada debido a su baja densidad volumétrica 0,071 kg/m3 (hasta 10 veces menor que el gas natural) y a su bajo punto de ebullición de -253ºC. Esto provoca que el hidrógeno deba ser transformado en otra sustancia para su transporte entre las que destacan el LH2, NH3, H2 comprimido o los LOHC. El problema pasa tanto por la eficiencia de cada uno de los procesos como por el coste y requerimientos necesarios por garantizar la seguridad.

Estudios actuales como el HySTOC, muestran que el transporte de los LOHC es hasta un 28-42% más barato en la actualidad seguido por los depósitos de gas comprimido de 250bar y 500bar hasta los 250km de distancia, donde aparece como alternativa el LH2. Barcos, camiones y tuberías hacen las labores de transporte, su madurez no llegará hasta 2030 donde las tuberías reutilizadas de gas natural serán la mejor forma de transportar hasta los 3000km donde el transporte marítimo aparece con precios inferiores para el amoniaco seguido de los LOHC y terminando por el LH2 Los métodos de almacenamiento actuales son el hidrógeno comprimido, el LH2, el amoniaco y los LOHC, cada uno de ellos tiene unas características diferentes que lo diferenciar y hacen ideal para un tipo concreto de aplicación. Existen otros en fase de estudio o desarrollo.

El almacenamiento energético del hidrógeno pretende sustituir la capacidad limitada de las baterías además de ser una alternativa sostenible y sin emisiones en su producción. Destacan 3 tipos de almacenamientos diferentes:

- Almacenamientos físicos, aquellos que no requiere de cambios en la condición física del elemento, como son el hidrógeno comprimido hasta 700bar, este puede ser almacenado en tanques cilíndricos de alta resistencia siguiendo la regla ISO 11349 2013 o bajo tierra aprovechando las cavidades geológicas como cuevas de sal, reservorios de gas natural agotados, acuíferos o cavernas de roca dura revestida. Además, el hidrógeno puede ser enfriado hasta la licuefacción aumentando su densidad para su almacenaje en tanque Dewars o en cavidades subterráneas de hormigón pretensado.

- Almacenamientos sólidos, estos aprovechan la adsorción y la superficie específica para insertar el hidrógeno. Destacan los hidruros metálicos con el MgH2, los hidruros complejos como los borohidruros LiBH4 o los hidruros químicos como el LiH. Todos ellos son sometidos a reacciones químicas por las que el hidrógeno se inserta en la estructura de un producto y al someterlo a condiciones de presión y temperatura específicas en presencia de H2O el H2 vuelve a aislarse, estos hidruros son reversibles y pueden volver a ser reutilizados. Además incluyen otros tipos como los MOF o las estructuras de carbono, los cuales gracias a ser materiales porosos y mediante fisisorción pueden albergar hidrógeno de forma reversible aprovechando las redes hexagonales que lo forman.

- Por último, aparecen otros compuestos como los LOHC, estos líquidos orgánicos permiten el almacenamiento de hidrógeno gracias a una jidrogenación con un proceso continuo de catálisis exotérmica para posteriormente de ser almacenados/transportado sufrir una deshidrogenación catalítica endotérmica para recuperar el H2 disuelto. Son líquidos en condiciones ambientales y con características similares a los derivados de petróleo pudiendo aprovechar la infraestructura de este, abaratando los costes. Existen otros tipos de almacenamiento como los BAM, el amoniaco, el metanol o el metano sintético.

El almacenamiento de hidrógeno cuenta con muchas alternativas, muchas de ellas en fase de investigación o desarrollo, teniendo una tasa de aprendizaje alta capaz de abaratar los costes en los próximos años para hacer frente al hidrogeno tradicional contaminante producido de manera distribuida cerca de las industrias de consumo. Gracias a la sustitución de este así como su aumento de consumo para su función como vector energético las emisiones contaminantes disminuirán en la lucha por llegar al cero neto de emisiones en 2050.