La llamada cadena de valor del hidrógeno hace referencia a las tres fases por las que pasa este elemento durante su vida industrial: producción, distribución y/o almacenamiento, y aplicación o uso final.
Dentro del sector industrial, el hidrógeno tiene un papel relevante desde hace años. Sin embargo, en 2020 empezó a experimentar un crecimiento sin precedentes que desde entonces suscita el interés no solo del propio sector, si no de instituciones gubernamentales y medios de comunicación. Prueba de ello es el establecimiento por parte de la Comisión Europea de una ‘Hoja de Ruta del Hidrógeno’ dentro de la estrategia de la UE sobre la integración del sistema energético, en la que se indica la importancia del hidrógeno verde para conseguir la neutralidad climática en 2050.
El hidrógeno obtenido de forma ‘verde’ se postula como una alternativa en sí misma no contaminante, ya que se trata de un vector energético a través del cual se puede obtener calor y electricidad. Esto permite la descarbonización de sectores clave de la economía que de otra forma serían, desde un punto de vista económico, difícilmente descarbonizables.
Los gobiernos europeos están orientando sus esfuerzos hacia la implementación de una cadena de valor que limite en gran medida la emisión a la atmósfera de gases contaminantes. En este sentido, la mayor parte de la inversión en I+D+i está centrada en la fase de producción.
Producción del hidrógeno
El primer eslabón de la cadena de valor del hidrógeno es la producción del mismo, ya que es muy raro encontrar hidrógeno en su forma elemental en la Tierra. Se presenta en forma estable como molécula diatómica (H2) siendo más común encontrarlo combinado con otros elementos químicos, como el carbono (hidrocarburos).
Históricamente, el hidrógeno gas se ha extraído de combustibles fósiles mediante procesos químicos como el reformado con vapor, liberando en el proceso grandes cantidades de gases de efecto invernadero. El 96 % del hidrogeno producido en la Unión Europea en la actualidad es a través de gas natural, según datos de la Comisión Europea.
Otros métodos de producción menos desarrollados incluyen la reducción química (reducción oxidación), la termólisis, la producción biológica o la electrólisis.
Esta última opción, que obtiene hidrógeno del agua al aplicarle electricidad en ciertas condiciones, no genera emisiones de forma directa, y, por tanto, es una alternativa de elaboración interesante para la transición energética, genera hidrógeno de alta pureza, pero es aún residual — en 2020 suponía tan solo un 0,14 % de la capacidad total de producción de este gas en Europa—.
Sin embargo, los proyectos que utilizan esta tecnología están creciendo de forma exponencial, y para 2021 se esperaba una producción de 60 toneladas diarias de hidrógeno mediante esta técnica, un incremento del 97 % comparado con 2018, según datos del Fuel Cell Hydrogen Observatory (FCHO).
¿De dónde proviene la electricidad usada para la electrolisis?
Aunque la producción de hidrógeno con electrolisis no genera gases de efecto invernadero como tal, la procedencia de la electricidad con la que se obtiene la molécula ha de ser tenida en cuenta para darle una etiqueta ‘cero emisiones’.
Así, el llamado ‘hidrógeno verde’ solo se obtiene cuando la electricidad aplicada tiene también un origen renovable, como la eólica o la solar. Sin embargo, este método de producción es aún más costoso que generar hidrógeno a través de combustibles fósiles.
Después de la producción, los siguientes eslabones de la cadena de valor del hidrógeno serían el almacenamiento y la distribución del mismo.
Almacenamiento de hidrógeno
El hidrógeno es el elemento más ligero de la tabla periódica, y, por su baja densidad, es costoso y difícil de almacenar, ya que es necesario recluirlo a muy alta presión.
Hay varias formas de almacenamiento, según su estado de presentación (gas, líquido, o solido).
- Hidrógeno gas
La forma más común de almacenamiento de hidrógeno gas es mediante tanques de acero, aunque cada vez es más común usar tanques de materiales compuestos, que son más ligeros y están diseñados para soportar mayores presiones.
Una forma de aumentar la densidad del gas e introducir más cantidad en el tanque es enfriarlo a temperaturas casi criogénicas, lo que se conoce como criogás.
Otra forma de contención de hidrógeno gas es mediante microesferas de vidrio: primero las esferas de vidrio huecas se llenan de hidrógeno a alta presión y temperatura, y cuando se enfrían, el gas queda recluido en su interior.
Para liberarlo, se vuelven a calentar las microesferas. Una de las desventajas de este método de almacenamiento es la poca densidad volumétrica que se alcanza.
Microesferas de vidrio a través del microscopio. (IEA,Teitel).
- Hidrógeno líquido
El hidrógeno puede enfriarse a temperaturas criogénicas (-253ºC), con la principal ventaja de que su densidad energética por unidad de volumen es mucho mayor que las soluciones basadas en gas, incluso a bajas presiones.
Para su almacenamiento se utilizan estructuras conocidas como vasos Dewar (una aplicación común del vaso Dewar es el termo de café).
Sus desventajas residen en el alto coste de la licuefacción y que entre el 30 y el 40% de la energía se pierde durante el proceso. Aun así, se ha demostrado su viabilidad comercial para la propulsión de vehículos (BMW) y en el futuro podría servir como combustible para aviación, puesto que esta forma de almacenamiento es la que ofrece una mayor ventaja de masa por volumen.
Otra forma de almacenamiento líquido consiste en usar disoluciones de borohidruros, donde el hidrógeno se libera a partir de una reacción de hidrólisis catalítica, o líquidos orgánicos como el tolueno (C7H8) o el metilciclohexano (C7H14).
- Hidrógeno sólido
El almacenamiento de hidrógeno en materiales sólidos tiene el potencial de convertirse en una forma segura y eficiente de disponer de energía, tanto para aplicaciones fijas como móviles, aunque esta tecnología está aún en un estado muy incipiente de desarrollo.
Hay cuatro grupos de materiales potencialmente adecuados: carbono; hidruros químicos reactivos al H2O; hidruros químicos térmicos; e hidruros recargables.
Distribución y transporte del hidrógeno
Con frecuencia el hidrógeno se produce para ser consumido in situ, como en el caso de las refinerías o la industria metalúrgica.
En el caso de que el hidrógeno se genere a cierta distancia de la zona de aplicación final, entra en juego la logística del transporte.
El hidrógeno gas se envía normalmente mediante una infraestructura basada en redes de tuberías, como cualquier otro gas (hidroductos), mientras que en su forma líquida se traslada mediante camiones cisterna —con una capacidad media de carga entre 400 y 4000 kg—, o mediante semirremolques de tubos de hidrógeno.
Recientemente (2020) se ha realizado una prueba piloto para el transporte de hidrógeno líquido no refrigerado por mar entre Japón y Australia, a cargo del barco japonés ‘Suiso Frontier’.
Aplicación o uso final
El último eslabón de la cadena de valor del hidrógeno está en su aplicación o uso final. El hidrógeno tiene múltiples aplicaciones a todos los niveles; desde aquellas a gran escala (refinerías y plantas químicas) a otras de una dimensión más reducida; como pilas de combustible o para investigaciones científicas en laboratorios.
Usos del Hidrógeno. P.Ruiz, L. Vega, M. Arxer C., Jimenez, A. Rausa
En un contexto industrial se utiliza para producir amoniaco, un ingrediente esencial de los fertilizantes; para generar metanol, que se usa en la manufactura de varios tipos de polímeros, y para refinar petróleo y obtener subproductos entre otras muchas aplicaciones.
También se puede usar como vector energético o portador de energía en pilas de combustible y como sustitutivo de gasolina y gasoil en vehículos.
Para saber más sobre las aplicaciones del hidrógeno, pincha en este enlace.
