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Hidrógeno en el mundo ¿Una nueva forma para enfrentar el cambio climático?

Hidrógeno en el mundo ¿Una nueva forma para enfrentar el cambio climático?

Introducción

Entre las tecnologías que se han desarrollado como alternativa a las fuentes convencionales de energía se encuentran la solar, eólica, mareomotriz e hidrógeno. Esta última es una de las menos maduradas, pero tiene un muy alto impacto potencial ya que puede utilizar parte de la infraestructura existente de la industria petroquímica, con la ventaja de no cambiar las costumbres de los usuarios al momento de disponer del recurso energético.

Este documento presenta una mirada frente a la tecnología del hidrógeno para entender el estado del know-how y cuál podría ser su futuro como alternativa de mitigación del cambio climático.

Tecnologías de Producción

Los medios de producción a gran escala de hidrógeno son expuestos a continuación.

Gas natural

Uno de las fuentes más ampliamente utilizada es la obtención de hidrógeno a partir de gas natural ya que actualmente es costo-efectiva, se obtiene de forma relativamente fácil y la relación de hidrógeno-carbono es alta; permitiendo disminuir la cantidad de subproductos no deseados como es el CO2 [1]. Para esto, los principales procesos industriales son la reforma por vapor, oxidación parcial o un uso combinado de ambas técnicas.

Para la reforma por vapor, se toma gas natural rico en metano y se mezcla con vapor sobrecalentado (entre 700 a 1000 °C) buscando una reacción endotérmica y un catalizador. Esta reacción ocurre dentro de una cámara a una presión aproximada de 1 bar con geometría similar a la que se observa en la Figura 1, y terminan dando como subproductos el hidrógeno, monóxido de carbono y un dióxido de carbono (estos últimos en bajas cantidades) [2], [3]. Por medio de reprocesos a todos los compuestos se obtiene la mayor cantidad de hidrógeno posible.

Este método se encuentra en su etapa de producción madura y puede ser utilizado con muchos otros combustibles como lo son la gasolina, etanol, propano u otros combustibles renovables.

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Figura 1. Cámara de mezcla para reforma de vapor [4].

La oxidación parcial consiste en la reacción incompleta del combustible, metano u otro, con oxígeno proveniente de la atmosfera para la obtención de dióxido de carbono y agua. Debido a que esta reacción no es estequiométrica, los productos reales son hidrógeno, monóxido de carbono y nitrógeno. La producción se lleva a cabo en equipos más pequeños y similares a los utilizados para la reforma de vapor pero el balance entre hidrógeno y combustible es menor que en el método anterior.

Carbón

Otra de las técnicas para la producción de hidrógeno es a través de la gasificación de carbón. Este método es uno de los más económicos ya que utiliza infraestructura actual y técnicas extractivas económicamente rentables, con un proceso relativamente sencillo. Esto posibilita obtener hidrógeno en escalas grandes a bajos costos pero tiene una gran desventaja: la producción de CO y CO2 es la más alta respecto a cualquier otro proceso [1].

El proceso consiste inicialmente en la trituración y mezcla de carbón o productos a base de carbono con agua para formar un lodo que es calentado. Posteriormente se mezcla con oxígeno hasta que se disocian las cadenas de hidrocarburos para dar como resultado el syngas, cuyos constituyentes son CO, H2 y H20; además de otros elementos que son filtrados [5]–[7]. Ejemplo de un proceso industrial es el que se observa en la Figura 2.

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Figura 2. Gasificación del carbón [6]

Energía nuclear

La energía nuclear es una de las alternativas teóricas (ya que a la fecha no se ha construido ninguno) para la producción estable y a gran escala del hidrógeno, donde el principio fundamental consiste en aprovechar la energía térmica de los reactores para realizar ya sea una separación termoquímica o electroquímica (electrólisis) [8]. La Figura 3 muestra los diferentes caminos aplicables para cada una de las líneas de producción que corresponden a los equipos actualmente existentes, entre ellos los más comunes son: reactor modular de helio (MHR), reactor de alta temperatura (AHTR), reactor avanzado de gas (AGR), reactor autónomo transportable (STAR-H2) y enfriado por sodio (SFR).

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Figura 3. Caminos de producción de hidrógeno [8].

La separación termoquímica consiste en el aprovechamiento de la energía térmica para poder realizar los métodos industriales de separación ya sean por gas o carbón (anteriormente mencionados). Por el otro lado, la electrólisis aprovecha una generación eléctrica de una central nuclear para realizar una disociación eléctrica de los compuestos del agua.

Electrólisis

Este método consiste en la utilización de energía eléctrica para dividir la molécula de agua en los dos elementos constitutivos, hidrógeno y oxígeno, con el fin de aprovecharlos por separados. Este proceso se lleva a cabo en una unidad conocida como electrolizador (Figura 4) la cual posee una membrana intermedia que determina la tasa de la reacción química.

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Figura 4. Modelo de electrolizador [9].

Actualmente es el método más costoso respecto a los enunciados previamente, pero su gran atractivo yace en la integración directa con fuentes no convencionales como es la solar, ya que permitiría obtener hidrógeno 100% libre de CO2 y podría alcanzar costos de producción bajos de forma descentralizada.

Las tecnologías utilizadas para llevar a cabo esta disociación se resumen en dos categorías básicas, la primera es el uso de una membrana polimérica para el intercambio de protones (PEM), en donde el agua reacciona con el ánodo en primera instancia, obteniendo de allí un electrón que fluye a lo largo del circuito para final mente unirse al catión de hidrógeno que había quedado libre y formar así el gas. La segunda consiste en el uso de un electrolito, usualmente hidróxido de potasio (KHO)[1], en vez de agua; de forma similar a la tecnología PEM.

Uso del hidrógeno

Existen actualmente 18 países alrededor del globo que se encuentran interesados en el mundo del hidrógeno asociados en la IPHE (International Partnership for Hydrogen and Fuel Cells in the Economy), ellos pretenden que ente los años 2030 y 2050 se haya construido y constituido una matriz energética en base a las fuentes no convencionales de energía, específicamente este combustible. Esto permitiría solucionar los problemas de densidad energética de almacenamiento, distribución y abundancia; usando tecnología en desarrollo y que tiene una maduración importante.

Cada Nación pretende atacar este problema con diferentes incentivos y regulaciones, pero coinciden en general en los siguientes frentes de trabajo:

  • Movilidad terrestre, contemplando los vehículos particulares, pasajeros y de carga. Hay uno tiempos de ejecución, plazos y objetivos propios para cada nación.
  • Generación eléctrica, ya sea utilizando equipos actuales como turbinas a gas o equipos desarrollados de forma particular.
  • Reemplazo de combustibles para la aviación, ya que la densidad energética se asemeja más a lo que sucede con los combustibles fósiles.
  • La generación de calor, valiéndose de una infraestructura existente de gas natural, para así disminuir la producción de CO2.

Lo más interesante del uso del hidrógeno es ver que están realizando algunos de los países más influyentes en esta tecnología para cumplir con dichas medidas. Entre ellos se encuentran los listados a continuación.

Experiencia Internacional

Japón

Una de las naciones con mayor interés en que se adopte dicha infraestructura es Japón, ya que los combustibles fósiles constituyen el 94% de toda su matriz energética y ninguno de ellos proviene de recursos naturales propios. Actualmente los dos sectores que consumen estos energéticos son la movilidad y la generación eléctrica.

El interés nipón por implementar esta tecnología reside en que el hidrógeno puede ser obtenido a partir del agua, recurso relativamente abundante que tienen a su disposición y además permite una independencia energética de los demás países productores de hidrocarburos. Además, podría contribuir a alcanzar las metas establecidas en el acuerdo de París, donde se busca reducir gases de efecto invernadero en 26% para el 2030 y del 80% para el 2050 [10].

Las líneas de trabajo que han desarrollado se resumen en seis:

  • Producción económica de hidrógeno
  • Expansión del uso de energías no convencionales en todo el territorio
  • Desarrollo de líneas de distribución de hidrógeno
  • Educación de la población para la transición
  • Uso del hidrógeno en la generación eléctrica y de calor
  • Uso del hidrógeno en el transporte terrestre

Para poder cumplir con los objetivos de transición al hidrógeno en movilidad, en el país se lanzó la iniciativa JHyM (Japan H2 Movility). Es por ello que a la fecha cuentan con unas 101 estaciones de servicio distribuidas alrededor del territorio como se ilustra en la Figura 4 que han sido fabricadas en alianza con Toyota, Honda, Nissan, las empresas generadoras de energía y las refinadoras de petróleo.

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Figura 5. Distribución de estaciones alrededor del territorio [11].

El volumen de hidrógeno producido en Japón desde el 2012 ha estado en promedio en los 608 millones de metros cúbicos anuales [12]; supliendo una flota de automóviles cercana a los 2500 vehículos (en su mayoría son Toyota con la autonomía aproximada a los 500 km), 6 buses piloto en miras para los juegos olímpicos del 2020 (Figura 5) y 70 montacargas en uso por las empresas locales [13].

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Figura 6. Bus a hidrógeno en Japón [14]

Además, desde la perspectiva de la generación, la empresa Mitsubishi Hitachi Power Systems (MHPS) ha reportado resultados exitosos para la producción de energía eléctrica cuando se mezcla hasta el 30% de hidrógeno en una turbina a gas utilizando tecnología actual; disminuyendo una reducción del 10% en la producción de CO2 [15].

Alemania

Otro de los países con gran interés es Alemania, ya que su dependencia de los combustibles fósiles también es alta. Actualmente el gobierno tiene lanzado el programa NIP (national innovation programme hydrogen and fuel cell technology) el cual busca para el 2026 activar el mercado emergente de hidrógeno y tener soluciones maduras en movilidad, energía y calefacción.

La primera etapa de este programa estatal está enfocado en la movilidad terrestre con un financiamiento de 250 millones de euros, es por ello que para el 2019 se esperan que estén abiertas y funcionales unas 100 estaciones de recarga de hidrógeno en el territorio (Figura 6). Esto permitirá suplir la demanda de los 500 vehículos particulares y 60 buses que se encuentran en circulación y 40 buses nuevos que deben de estar para el 2019 [16], además de 14 trenes, de los cuales se inauguraron dos de ellos en el norte del país (Figura 8) [17], [18].

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Figura 7. Mapa de estaciones de hidrógeno[19]

Para la segunda etapa se han estado financiando proyectos relacionados con la generación eléctrica y calefacción para viviendas domésticas a partir de hidrógeno por medio del plan Callux ‘lighthouse’ proyect[20] financiado a partir de las empresas electrificadoras y de calefacción alemanas. Este plan pretende realizar el empalme de la tecnología y la cultura con las personas del común instalando equipos que van desde los 0.25 hasta los 5 kW[21]. A la fecha 1900 aplicaciones de proyectos han sido aprobadas con un financiamiento de 5 millones de euros; destinados a su vez en la construcción de alrededor de 600 equipos para generación eléctrica de emergencia [17].

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Figura 8. Tren a hidrógeno en Alemania [22]

China

China es actualmente otro país que le está apostando al uso de hidrógeno para suplir las necesidades en transporte con una asociación directa con Alemania. Es por ello que han lanzado políticas de incentivos tributarios bastante agresivas para poder financiar la tecnología.

Una de las características más particulares de este país es que cada provincia hace sus apuestas tecnológicas de forma independiente; el gobierno de Hubei definió unos incentivos tributarios de 1.6 billones de dólares, para la construcción de 20 estaciones de recarga que deben estar funcionales para el 2020 en conjunto con la introducción al mercado de 2000 vehículos para la misma fecha. Además, esperan que para el 2025 se tengan entre 25000 y 30000 vehículos de cualquier clase (automóviles, buses y carga) diseñados para esta tecnología [23].

Por otro lado, el gobierno de Shanghái disminuyó  en febrero del 2018 los incentivos tributarios para los vehículos híbridos para redireccionarlos hacia los de celda de hidrógeno [23].

Estados Unidos

Desde la perspectiva norteamericana, el uso de vehículos y búsqueda de soluciones en hidrógeno es una de las más adelantada a nivel mundial ya que el estado de California y la legislación propia del país ha tenido enfoques en energías alternas desde hace algunas décadas.

Para el año 2018, se estableció un incentivo de aplicación de la tecnología de 30% del presupuesto anual de las energías alternas y para el 2025 se espera que se hayan construido sólo en California 200 estaciones de recarga [24].

El Departamento de Energía estadounidense ha establecido más de 20 convenios entre industria y transporte para el desarrollo de tecnología, entre las que se encuentran entradas preliminares de vehículos militares terrestres como el Chevrolet Colorado ZH2 (Figura 4) y anfibios no tripulados aún en desarrollo [25].  Se espera que esto impulse el desarrollo de la tecnología ya que las fuerzas militares son uno de los grandes consumidores de combustibles en ese país.

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Figura 9. Chevrolet Colorado para el ejército [25].

Para el público general, se comercializan actualmente tres vehículos a hidrógeno de las marcas Toyota, Hyundai y Honda, sin contar con el transporte público; con autonomías mayores a los 500 kilómetros y que compiten en precio a los automóviles del mismo segmento. El país cuenta con unos 4500 vehículos a hidrógeno, 25 buses, prototipos de vehículos de carga y 16000 montacargas [24]

En relación a la infraestructura, ocho estados (California, Connecticut, Maine, Massachusetts, New Jersey, New York, Rhode Island y Vermont) tienen planes de acción definidos en instalación y distribución de puntos de recarga y posible crecimiento que tendrá la tecnología en el territorio para el 2025; siendo el pionero California con más de 35 estaciones de servicio en funcionamiento y otras en desarrollo.

En temas de generación de energía, existen actualmente unas 8000 estaciones de generación de respaldo para telecomunicaciones y 55 MW instalados de plantas a la red, lo que ha impulsado a tener incentivos estatales para la producción de hidrógeno [24].

Situación colombiana

Actualmente en Colombia se ha empezado a trabajar en temas relacionados con cambio climático que buscan que buscan disminuir en un 30% las emisiones proyectadas a 2030 (aproximadamente 275 M Ton de CO2)[26], conforme a lo planteado en el Acuerdo de Paris. Junto a ello se han aprobado leyes y resoluciones que benefician a las personas naturales como son la ley 1715 del 2014, ley 1819, el PROURE y la resolución 463; ya que su lineamiento va directamente relacionado con eficiencia energética, generación y movilidad sostenible.Al momento estos lineamientos van de la mano con la instalación de módulos fotovoltaicos y la construcción de equipos que utilizan biomasa para la generación eléctrica, y la disminución de aranceles e impuestos para la compra de vehículos eléctricos e híbridos.

Sin embargo no existen iniciativas específicas para el uso de hidrógeno no existe actualmente en el país.

En contexto Colombia cuenta a la fecha con 754 vehículos, entre eléctricos e híbridos en un parque automotor de 5.8 millones, y 1729 motocicletas entre las 8 millones registradas; presentando una penetración muy baja en el marco general del sector transporte [27]. Desde la infraestructura, los mayores esfuerzos para la movilidad sostenible los han empezado realizar compañías generadoras como Celsia y EPM, que a la fecha tienen disponibles 28 estaciones de carga distribuidas a lo largo de toda el área metropolitana del Valle de Aburrá, Bogotá y Cali; y vehículos eléctricos propios para la evaluación de la tecnología [28], [29].

En el sector privado compañías como Argos, ISA, entre otras; han implementado para sus empleados estaciones de carga de bicicletas eléctricas e incentivos económicos (no pagar parqueaderos); que van acompañados con políticas nacionales por la construcción de ciclo rutas, no sólo para disminuir el nivel de gases de efecto invernadero, sino a su vez para mejorar la salud de los habitantes de las ciudades como se ha ido logrando en Bogotá y Medellín.

Desde el gobierno nacional, los planes específicos para el sector transporte y energía de Colombia se resumen en:

  • Transporte
    • Renovación de la flota vehicular
    • Introducción de vehículos eléctricos e híbridos (en conjunto con la ley 1715)
    • Uso de combustibles con menor intensidad de carbono
    • Promoción de sistemas de transporte público
    • Incentivar el transporte fluvial y férreo
    • Implementación de transporte en bicicleta
  • Energía
    • Renovación de equipos para mejorar la eficiencia energética
    • Portafolio de energías verdes (solar y eólica)
    • Gestión del metano
    • Sustitución de luminarias

Por otro lado, a pesar que Colombia tiene grandes fuentes hídricas, depende de  generación térmica para su confiablidad, y la quema de estos combustibles aporta aproximadamente 6.2 M Ton CO2 a la atmosfera a lo largo del año [30]. Por esto la implementación de la ley 1715 ha permitido diversificar la matriz eléctrica permitiendo observar las primeras plantas fotovoltaicas, proyectos eólicos y renovables; es el caso de la planta solar de Yumbo de Celsia y la planta solar de El Tesoro de EPM (Figura 8). Para un total de 732 proyectos a ejecución al 2030 entre eólicos, solares, uso de biomasa e hidro a pequeña escala [31], buscando disminuir la huella de carbono y supliendo demanda energética prevista.

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Figura 10. Planta solar de Yumbo – Celsia – [32] y planta del centro comercial Tesoro por EPM [33]

Aplicación del hidrógeno en Colombia

En temas de cambio climático y utilización de energías alternativas, Colombia le ha apuntado a unas tecnologías específicas en movilidad y generación (paneles fotovoltaicos, turbinas eólicas, uso de biomasa, baterías y vehículos eléctricos). Sin embargo, si bien el hidrógeno no tiene mucha difusión, la legislación vigente no limita su uso.

Al hablar específicamente del hidrógeno como tecnología de movilidad terrestre se identifican varias barreras. La inversión inicial que se debería realizar es muy alta, ya que implica la construcción de estaciones de recarga, importación de vehículos. Además de esto se requeriría una evaluación de la legislación existente para apoyar dicho camino, cambio de políticas estatales y financiamiento para la educación en la tecnología. Esto ha sido abordado en otros países, pero en Colombia no existe y representaría un camino largo. Además vale la pena mirar la experiencia de los vehículos eléctricos: a pesar que se han hecho avances en la legislación no se ha logrado incentivar la masificación de los mismos debido a su alto costo.

Por el lado de la generación eléctrica se han empezado a observar avances realizados por las grandes compañías de plantas térmicas existentes a nivel mundial [34], [35]. Este sería algo que se podría implementar en Colombia ya que mezclan hidrógeno con gas licuado o natural hasta un 30% y obtienen resultados satisfactorios para la disminución de CO2 (alrededor al 10%) y monóxidos de hidrógeno, acompañado de eficiencias del 63% en la producción [36]. Esto implicaría cambios solamente en los quemadores pero podría aprovechase el uso de los equipos actuales de generación a gas sin realizar inversiones onerosas en modificación de la tecnología.

Todo esto se presenta para el caso colombiano con un potencial alto ya que de los 17197 MW instalados actualmente, 2129 MW son a gas natural (equivalentes al 12.5% de la generación)[37] y se espera un crecimiento hasta 16% en un horizonte al 2040 [38]. Existiendo la posibilidad no sólo de disminuir los gases de efecto invernadero en un 10% (a valores actuales) sin cambiar de tecnología, sino que a su vez la nación produzca su propio combustible.

Adicionalmente el sector vivienda se suma como uno de los grandes consumidores de gas natural al que se le podría apuntar el cambio, con un volumen proyectado de 178.9 GBTUD al 2031 [39], podría utilizar parte de esta mezcla hidrógeno-gas en el consumo diario como se está empezando a realizar en países como el reino unido, sin cambiar ningún quemador [40] y disminuyendo los gases de efecto invernadero.

Es verdad que la obtención del combustible constituye una barrera de entrada, pero se observa una línea de trabajo interesante para el caso nacional por la línea de generación de energía inicialmente si la producción de hidrógeno se aborda por medio de una de las dos formas siguientes.

  1. La producción por método de fuentes tradicionales como lo son la reforma por vapor o la gasificación del carbón. Se espera que a futuro la demanda internacional de carbón e reduzca, y la producción de hidrógeno podría convertirse en una demanda interna que permita aprovechar las reservas del país.
  2. La producción y almacenaje del hidrógeno por medio de electrólisis, usando las fuentes de energías renovables nacionales. Posibles esquema incluyen aprovechar los bajos costos de energía en horas valle para aprovechar los bajos costos, o tener centrales renovables dedicas a producción de hidrógeno a partir de hidrólisis. De esta forma, las industria y las centrales térmicas tendrían acceso a un combustible sin emisiones de gases invernadero asociadas.

Conclusión

Si bien la tecnología del hidrógeno es muy prometedora para la movilidad, en el caso colombiano las tecnologías de electromovilidad tiene un camino tecnológico y regulatorio más avanzado, y es probable que estas se impongan sobre las celdas de hidrógeno.

Para Colombia las aplicaciones en el mediano plazo se vislumbran en el uso del hidrógeno como combustible para la industria y la generación térmica en primera instancia. Por esto, es recomendable que se realicen estudios más profundos sobre la posible implementación del hidrógeno como una estrategia de eficiencia energética y reducción de emisiones en la industria.

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