El hidrógeno como fuente de energía

Roberto Dobles roberto.dobles@gmail.com | Lunes 21 mayo, 2018

El hidrógeno como fuente de energía

El hidrógeno es el elemento más abundante en el universo, es el más ligero de la tabla periódica y será una fuente de energía muy importante en muchos sectores en el futuro, incluyendo el sector transporte y la generación de electricidad (a través de la fusión nuclear).

Sin embargo, en nuestro planeta el hidrógeno no existe en estado libre y se encuentra asociado a otros elementos en miles de compuestos (gaseosos, líquidos y sólidos) incluyendo el agua, la biomasa (leña, entre muchas otras fuentes de biomasa), el gas natural, el petróleo y el carbón.

Debido a esta característica, el hidrógeno no es una fuente de energía primaria. Es una fuente secundaria que se obtiene a través de diversos procesos industriales que permiten extraerlo (separarlo) de los otros elementos en los diversos compuestos donde se encuentra.

Como bien lo señala la International Energy Agency (IEA) en su estudio titulado “Technology Roadmap, Hydrogen and Fuel Cells”, “el hidrógeno es un portador de energía (‘energy carrier’) flexible que puede ser producido a partir de cualquier fuente primaria regionalmente prevalente”. Este estudio indica también que “el hidrógeno es particularmente apropiado para su uso en celdas de combustible que utilizan de manera eficiente el hidrógeno para generar electricidad”.

Los procesos industriales para producir hidrógeno requieren mucha energía para lograr su separación. La intensidad energética de un proceso dado depende del tipo de tecnología que se use y de la “materia prima” (fuentes primarias de hidrógeno) que se utilice, como el agua cuya molécula contiene dos átomos de hidrógeno (H2O) y el gas natural cuya molécula contiene cuatro átomos de hidrógeno (CH4).

Para producirlo se necesitan entonces una fuente primaria de hidrógeno e instalaciones industriales de separación y de almacenamiento. Las instalaciones son intensivas en capital y los procesos de separación son intensivos en energía. El transporte y la distribución son también intensivos en capital.

El gas natural es por mucho la fuente dominante en el mundo para producir hidrógeno. De acuerdo con la IEA, alrededor del 48% de la producción mundial actual de hidrógeno se obtiene a partir de gas natural, el 30% se produce en la refinación de petróleo, el 18% a partir del carbón y el 4% a partir del agua (mediante electrólisis).

De acuerdo con los datos anteriores, el 96% de la producción mundial actual de hidrógeno proviene de fuentes fósiles de energía de primaria (gas natural, petróleo y carbón).

En EE.UU., el 95% de la producción de hidrógeno proviene del gas natural (mediante el uso de la tecnología de reformado con vapor de agua) y el resto de otras fuentes. En Francia, solo el 1% del hidrógeno es producido a partir del agua (mediante el uso de la tecnología de electrólisis, la cual fue inventada en el año 1800).

El gas natural es la principal fuente primaria de hidrógeno porque es de bajo costo y es muy abundante. La contribución fiscal del gas natural a los Estados que lo producen es además muy importante y no afecta los costos de producción de hidrógeno.

El hidrógeno tiene actualmente muchos usos, tanto energéticos como no energéticos. Por ejemplo, en la industria química se usa para la producción de amoniaco para producir fertilizantes, en varios procesos de la refinación de petróleo (hydro-treating, hydro-cracking y desulphurisation), en la hidrogenación de grasas y aceites, en las hidroalquilaciones y en la producción de metanol, entre muchos otros usos. El hidrógeno es también un combustible importante que se usa en los cohetes de los programas espaciales, incluyendo los que se usan en la puesta en órbita de satélites.

De acuerdo con los estudios, “la industria química de producción de amoniaco, metanol y refinado de petróleo consume aproximadamente el 66% de la producción anual de hidrógeno,… El resto de la producción se consume en otros procesos industriales”.

Como fuente de energía, las tecnologías de uso de hidrógeno en el sector transportes existen desde hace muchos años. El hidrógeno se usa en los vehículos en celdas de combustible para generar electricidad, la cual se utiliza en motores eléctricos que mueven las ruedas.

En lugar de almacenar la electricidad en baterías, como se hace en los vehículos eléctricos tradicionales, los vehículos de hidrógeno tienen un tanque de almacenamiento de hidrógeno y celdas de combustible que generan la electricidad requerida por los motores eléctricos.

En este sentido, los vehículos de hidrógeno tienen muchas similitudes con los vehículos eléctricos, tal como lo señalan los siguientes estudios:

Agencia Internacional de Energía (IEA): “los vehículos de hidrógeno son esencialmente vehículos eléctricos que usan hidrógeno almacenado en un tanque presurizado y celdas de combustible para generar electricidad”.
Union of Concerned Scientists: “los vehículos usan gas de hidrógeno en celdas de combustible para alimentar con electricidad un motor eléctrico. A diferencia de los vehículos convencionales que funcionan con gasolina o diésel, los vehículos con celdas de combustible combinan hidrógeno y oxígeno para producir electricidad, que hace funcionar un motor eléctrico. Dado que están alimentados completamente por electricidad, los vehículos con celdas de combustible se consideran vehículos eléctricos”.

Es claro que el gran competidor de los vehículos con celdas de combustible, que usan la energía que se almacena en tanques (hidrógeno) para generar la electricidad, son los vehículos eléctricos tradicionales, los cuales usan la energía que se almacena en baterías (electricidad).

Los vehículos que almacenan directamente la energía en baterías eléctricas les están ganando actualmente la partida a los vehículos que almacenan la energía en tanques de hidrógeno para luego generar electricidad.

Las razones de lo anterior son varias, incluyendo el costo mucho más bajo de la electricidad que se almacena en las baterías y del vehículo mismo.

La disponibilidad en los países de una amplia red de transmisión y distribución eléctrica que llega a todos los lugares, incluyendo las residencias y los centros de trabajo, es otro factor importante de conveniencia y de reducción de los costos de transporte y distribución. No existe en ningún país una red similar de transporte y distribución de hidrógeno.

A pesar de que las tecnologías de los vehículos de hidrógeno y de otros usos (industriales, comerciales, residenciales, edificios, etc.) existen desde hace mucho tiempo, el consumo de hidrógeno como fuente de energía es actualmente muy limitado y todo indica que esta situación continuará así por largo tiempo.

Lo anterior se desprende de los principales estudios en el mundo sobre el consumo futuro de energía, entre los cuales se encuentran los elaborados rutinariamente por las siguientes organizaciones que son referentes internacionales en este campo:

International Energy Agency (IEA). En su último estudio titulado “World Energy Outlook”, con escenarios a 2040, el hidrógeno no tiene una participación relevante.
BP. En su último estudio titulado “BP Energy Outlook”, con escenarios a 2040, el hidrógeno no tiene tampoco una participación relevante.
World Energy Council (WEC). En su último estudio titulado “The Grand Transition, World Energy Scenarios”, con escenarios a 2060, el hidrógeno no tiene igualmente una participación relevante.

Todo esto indica que en el futuro previsible el hidrógeno como fuente de energía comercial deberá superar varios obstáculos importantes, entre los cuales se encuentra el alto costo de producción, almacenamiento, transporte y distribución del hidrógeno y el alto costo de los vehículos.

Para que el hidrógeno penetre el mercado energético, es importante que la fuente primaria de hidrógeno que se utilice sea abundante y de bajo costo y que los procesos de separación del hidrógeno de la fuente primaria sean igualmente de bajo costo. Lo mismo aplica para el costo de almacenamiento, transporte y distribución al consumidor final y el costo de los equipos de consumo (en vehículos, industrias, edificios, etc.).

De los estudios anteriores se desprende que al hidrógeno le tomará tiempo para penetrar el mercado energético mundial. Con respecto al transporte público y privado, a los vehículos de hidrógeno les tomará mucho más tiempo penetrar este mercado que a los eléctricos con baterías, que son su principal competidor.

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