USOS DEL H2. LA ESCALERA DE LIEBREICH

Probablemente antes de llegar hasta aquí habrás leído bastante sobre el Hidrógeno, puede que incluso aquí en MyTips donde ya hemos escrito varias veces sobre el tema. En este post iremos un poco más allá y hablaremos sobre algunos de sus posibles usos, pero sobre todo, de si tienen sentido desde el punto de vista técnico y/o económico.



Introducción al Hidrógeno

Como ya sabrás, el Hidrógeno, símbolo químico H, es el elemento más abundante en el universo, representando el 75% de la materia visible. En la atmósfera terrestre, es escaso (1 ppm en volumen) debido a su molécula ligera (H2) que escapa de la gravedad y se difunde en el espacio. Aun así, es el decimoquinto elemento más abundante en su superficie, aunque siempre se presenta en forma de compuestos (agua, H2O o en forma de hidrocarburos, moléculas más o menos complejas formadas por átomos de Hidrógeno y Carbono).

Hasta no hace mucho ni siquiera los geólogos y los químicos pensaban que pudiera existir yacimientos de Hidrógeno en el subsuelo, al menos, en grandes concentraciones, por eso hasta ahora era necesario producirlo, razón por la que no se considera una fuente de energía -como pueden ser el sol, el viento el gas natural o el petróleo- sino un vector energético, una forma práctica de transportar o almacenar la energía (como la electricidad o la gasolina).

Más abajo, en el apartado Artículos relacionados, aquí en MyTips te dejo un listado con otros post que quizás te interese leer.

Métodos de producción del Hidrógeno

Hay varios métodos para producir Hidrógeno (puedes encontrar más información en el apartado Artículos relacionados, aquí en MyTips). Actualmente, cerca del 96% del Hidrógeno global se produce a partir de combustibles fósiles, principalmente mediante reformado de gas natural con vapor de agua. Este proceso plantea preocupaciones por el uso de recursos no renovables y las emisiones de CO2 resultantes.

El restante 4% se produce mediante electrólisis del agua (H2O), proceso en el que se separa la molécula de agua en H2 y O mediante electricidad. En este caso, las emisiones de la producción de Hidrógeno dependerán de cómo se generó la electricidad empleada para “romper” la molécula de agua. Si esta electricidad es de origen renovable, la producción de Hidrógeno no supondrá emisiones, por eso se espera poder aprovechar el reciente auge de la generación eléctrica renovable -solar fotovoltaica y la eólica- para desarrollar la producción de Hidrógeno Verde (H2V) que reemplazaría a los combustibles fósiles y eliminaría los problemas de emisiones, contribuyendo así a la descarbonización de la economía.

Tampoco habría emisiones en caso de emplear H2 de origen nuclear -mediante electrólisis con electricidad (H2 rosa) o mediante procesos termoquímicos (H2 rojo)- nos evitaríamos el problema de la intermitencia de las energías renovables y tendríamos la preocupación acerca de la seguridad de las centrales nucleares, la gestión de sus residuos… así que de momento no voy a explorar esa línea.

Retomando el tema del H2V, muchos lo ven como una especie de “bala de plata” o “navaja suiza” que sirve para todo, como refleja la siguiente imagen.

Figura 1. El H2 como una solución para cualquier problema, como una navaja suiza.

Pero como cualquiera sabe, una navaja suiza puede serte muy útil en caso de apuro, pero dista mucho de ser la herramienta ideal para cualquier situación, y de esto tratará este post.

“Una navaja suiza puede resultar una herramienta muy útil en muchas situaciones, pero no es la herramienta ideal para todos tus problemas. Lo mismo pasa con el Hidrógeno”

¿Qué es la Escalera del Hidrógeno Limpio, o la Escalera de Liebreich?

La Escalera del Hidrógeno Limpio es un gráfico que clasifica los casos de uso del Hidrógeno limpio (entiéndase como H2V, sin emisiones o con bajas emisiones) en función de su probabilidad de éxito frente a otras tecnologías limpias contra las que tendrá que competir.

Esta clasificación es similar a la de los electrodomésticos en función de su eficiencia energética; va desde la A (usos inevitables en los que no existe un reemplazo para el Hidrógeno) hasta la G, donde se recopilan usos en los que el Hidrógeno no resulta competitivo al existir mejores alternativas, atendiendo a criterios como costes, simplicidad, seguridad y conveniencia.

Su creador es Michael Liebreich, quien se define a sí mismo como “Conferenciante, analista, escritor, asesor, inversor en la economía del futuro. Presentador del podcast Cleaning Up sobre liderazgo en la era del cambio climático”. Según dice, la escalera “es mi intento de poner los casos de uso del Hidrógeno limpio en una especie de orden de mérito” ya que en su opinión el Hidrógeno no es la solución idónea para todos los casos.

Aplicaciones del Hidrógeno, según la Escalera de Liebreich

La Escalera reconoce cuatro principales aplicaciones del Hidrógeno, a saber:

  1. Uso como materia prima y en ciertos procesos industriales.
  2. Generación de energía.
  3. Transporte, donde distingue 2 subcategorías: por un lado Transporte Aéreo y Marítimo y por otro el Transporte Terrestre.
  4. Calefacción.

Cada una de estas cuatro grandes categorías recoge distintas posibles aplicaciones del Hidrógeno en las que su uso puede o no ser la mejor opción.

Figura 2: La escalera del H2 limpio y la competencia de otras tecnologías

Mi resumen y opinión personal

Lo primero, reconocer que no soy un experto en el tema. Me interesa la Transición Energética desde diferentes ángulos y procuro aprender. Fruto de mis “investigaciones” sobre el tema encontré este esquema que me pareció muy útil para poder separar el grano de la paja en todo este jaleo de proyectos de H2.

Lo segundo, no es mi intención “fusilar vilmente” la publicación de Michael Liebreich. Su gráfico de la escalera compila muy bien todo lo que detalla en su artículo (o viceversa, su artículo desgrana toda la información que hay en el gráfico) y en los enlaces que os he dejado más abajo podéis ampliar toda esta información si os apetece.

Como indicaba más arriba, la gran mayoría del H2 empleado actualmente es de origen fósil, por lo que su producción implica emisiones de CO2. Sus principales usos se dan en la industria del refino (41%), en la producción de amoniaco (34%) y en la de metanol (13%) y, en cantidades menores, en otros múltiples procesos industriales.

Tan solo reemplazar el actual H2 “sucio” (de origen fósil) por H2V, ya supondría un reto enorme tanto en la “parte eléctrica” (aumento de capacidad de generación, redes de distribución eléctrica, capacidad de almacenamiento para combatir la intermitencia de la generación renovable) como en la red de distribución del H2 (almacenamiento y redes de transporte) que quizás sean las dificultades más evidentes que vemos los “técnicos”, pero no debemos olvidar los aspectos regulatorios y financieros.

Por todo ello, aumentar la necesidad de H2 para emplearlo en nuevos usos en los que pueden existir otras opciones más adecuadas no parece lo más lógico.

Figura 3. La Cadena de Suministro del Hidrógeno. Fuente: Decarbonisation Tecnology (agosto 2023)

Simplemente hay usos en los que no hay alternativa que pueda reemplazar el uso del H2, esos deberían ser los primeros en pasarse al H2V mientras que hay otros que podrían descarbonizarse mediante otras tecnologías más adecuadas.

Los primeros son los que Liebreich clasifica en la categoría A, y marca en color Rojo en su esquema, destacando “sin alternativa real al H2”. Son los procesos de Hidrogenación, Hidrocracking e Hidrodesulfuración de la industria de refino. En ellos, el H2 no actúa como combustible, sino como materia prima sin que exista nada que pueda reemplazarlo en esta función. En estas aplicaciones, la molécula de H2 es fundamental para que se produzcan las reacciones químicas necesarias para obtener distintos productos a partir del petróleo crudo o para que los productos refinados cumplan con las especificaciones de calidad requeridas.

Lo mismo ocurre con la fabricación de Fertilizantes a partir del amoniaco (el 70% de la producción de amoniaco se destina a fertilizantes sintéticos). La molécula de H2 se combina con el Nitrógeno (N), un gas diatómico obtenido del aire para formar la molécula del amoniaco NH3 mediante el proceso de Haber-Bosch. Sin fertilizantes sintéticos peligraría la alimentación de la mitad de la población mundial como muy bien explica Vaclav Smil en su libro “Cómo funciona el mundo”.

En cuanto a la producción de Metanol, además de la producción a partir del metano (CH4), también podría realizarse a partir de biometano, de la biomasa. Mediante un proceso de pirólisis de biomasa o la biodegradación de la materia orgánica a través de la acción de microorganismos en ausencia de oxígeno, se produce biogás, una mezcla de metano (un 50%-70% del volumen) y CO2 más otros gases como H2, N2, O2 y sulfuro de hidrógeno. Tras un proceso de upgrading se retiran estos componentes indeseados, y el biogás se convierte en biometano, un compuesto idéntico al metano de origen fósil, que se considera de 0 emisiones netas.

En el apartado Para saber más he dejado algunos enlaces con artículos y/o noticias acerca de aplicaciones en las que el H2 no es la solución más acertada. Una de estas podría ser por ejemplo, la del uso de H2 para la calefacción o las cocinas domésticas, una aplicación fácilmente electrificable y descarbonizable (obviamente, si se usa electricidad de bajas emisiones) y mejor desde el punto de vista de la seguridad (nada de canalizaciones o depósitos de gases inflamables).

No se puede descartar la posibilidad de avances tecnológicos relacionados con el Hidrógeno que podrían cambiar esta clasificación en la escalera. Sin embargo, es igualmente probable que se produzcan en las tecnologías que compiten con el H2.

Personalmente veo dos tendencias o visiones en cuanto al hidrógeno. Por una parte, hay una visión similar al actual, con grandes infraestructuras de distribución que llevarían el H2 hasta los consumidores (de ahí el interés en la construcción de hidroductos y/o la reutilización de gasoductos) y otra de la creación de Clusters de Hidrógeno en las que productores y consumidores sean “vecinos”. Esta última opción creo que podría ser la más interesante para la reindustrialización de España, mucho mejor que la de exportadora de energía limpia ya sea electricidad verde, H2V o cualquier otro producto generado a partir de este .

Para saber más

En español

En inglés

Artículos relacionados, aquí en MyTips