Por Dr. Ulises Cano Castillo, investigador del INEEL.
El hidrógeno es considerado uno de los vectores de energía que puede sustituir al petróleo y facilitar el uso de fuentes renovables de energía. Bloomberg se refirió al hidrógeno como “el secreto para cambiar el sistema de energía global por completo hacia energías renovables…» . La compañía también mencionó que China perdió $3.4 mil millones de dólares en ingresos, porque los parques eólicos se vieron obligados a permanecer inactivos debido a que las líneas eléctricas estaban congestionadas. Alemania, por su lado ha sufrido problemas similares a medida que aumenta su cuota de energía renovable.
El hidrógeno no existe en forma natural, sino en forma de compuestos como la biomasa, desperdicios plásticos y agua, entre otros. Así es, 1L de agua contiene un poco más de 111g de hidrógeno, siendo el agua un recurso disponible en cualquier parte del mundo. El gas hidrógeno es un producto de valor agregado como la gasolina, que tampoco existe libre en la naturaleza. Para extraerlo se debe invertir energía; el hidrógeno puede producirse empleando diversas fuentes de energía primaria, en especial energía renovable para formar el llamado hidrógeno verde. Esta flexibilidad en su producción, le da al hidrógeno un carácter sostenible si se eligen adecuadamente las tecnologías para ello. Una vez obtenido, el hidrógeno es un intenso portador de energía (119.93 kJ/g), conteniendo más del doble de energía que el diésel, la gasolina o el gas natural. Como portador energético puede mezclarse y alimentarse a ductos de gas natural incrementando su contenido energético.
Siemens asevera que la red de GN en Alemania podría transportar 130 Terawatts hora de energía eléctrica en forma de hidrógeno, lo que representa casi el 25% de las necesidades anuales de energía en ese país. Incluso, puede ya utilizarse en turbinas de hidrógeno para generación de electricidad descarbonizando este sector. En México, PEMEX tiene una capacidad operativa de transportar 6.78 millones de barriles diarios que pueden recibir contenidos de hidrógeno en diversas proporciones.
En aplicaciones móviles como el transporte, el sector con mayor consumo de energía en nuestro país y uno de los más contaminantes, el hidrógeno se convierte electroquímicamente en electricidad para vehículos eléctricos cero emisiones móviles, usando celdas de combustible con ventajas sobre las baterías, en algunos nichos de mercado como el transporte pesado.
El empleo del hidrógeno en el sector de energía, significa también un uso más eficiente y limpio de la energía, considerando que su contenido energético es mayor comparado con combustibles convencionales y su uso generalmente tiene como emisiones vapor de agua.
Este gas puede emplearse como materia prima para numerosas industrias que ya lo consumen, la metalúrgica, electrónica, fertilizantes, alimentaria e incluso como refrigerante en la misma industria eléctrica y hasta las plantas de refinación de hidrocarburos. Estas industrias podrían descarbonizarse a través de transformar excedentes de energía renovable en hidrógeno, en lugar del hidrógeno que hoy se produce a partir del gas natural principalmente con grandes emisiones y consumos energéticos. En la industria de los fertilizantes, el camino verde en la producción de hidrógeno, utilizado para la producción de amoniaco, evita altos pagos por energía térmica y las emisiones nocivas nada despreciables.
El hidrógeno puede almacenarse durante mucho tiempo, muchos meses o incluso más, prácticamente sin pérdidas de energía. Existen retos relacionados al almacenamiento del hidrógeno ya que éste existe en forma de gas a condiciones ambientales y su compresión requiere energía para tener sistemas de almacenamiento con densidad energéticas prácticas y económicas.
A pesar de ello, vehículos como el Mirai de Toyota almacenan hidrógeno a 700 bar con densidades energéticas de 1.59 kWh/kg ofreciendo autonomías mayores a 600km. Un paquete de baterías de litio generalmente suele rondar en valores de 0.2 kWh/kg, lo que hace necesario un mayor peso para autonomías similares. Aplicaciones en transporte, deberán ser evaluadas con detalle, incluyendo análisis de ciclo de vida para determinar ventajas energéticas, ambientales y viabilidad económica en cada nicho de mercado. Otros mercados de hidrógeno que requieren una grande infraestructura de almacenamiento podrían significar altos costos de inversión, pero atractivos ingresos a lo largo de la vida útil de un proyecto de aplicación o beneficios en reducción de emisiones.
La llegada del hidrógeno al escenario energética mundial plantea diversas opciones que incluyen servicios a la red eléctrica. Estos servicios incluyen el soporte a la integración de fuentes renovables, especialmente nivelando la intermitencia y asistiendo en el balance de la red. Así es, la producción de hidrógeno mediante electrolisis del agua (descomposición mediante electricidad) permite a los electrolizadores absorber excedentes eléctricos de fuentes renovables que no pueden inyectarse a la red o bien, generación de la red que no requiere la demanda. Esto es, los electrolizadores pueden actuar como cargas adicionales cuando existe mucha generación en la red o en plantas de renovables. Este es el concepto llamado Potencia-a-Gas (P2G), y se refiere a la posibilidad de almacenar energía eléctrica cuando ésta está disponible y no puede ser enviada a la red eléctrica para ser consumida por la demanda. En su lugar, esta energía es transformada en un combustible útil como el hidrógeno para su uso posterior, ya sea en el mismo sector eléctrico o en alguna otra actividad económica, evitando costosas pérdidas.
En Alemania, hasta el 20% de la energía eólica en el mar del norte se desperdicia, ya que la red eléctrica no puede recibir electricidad generada si ésta no es necesaria. En el mediano plazo, este problema se verá aún más agravado no solo en Alemania, sino en muchos otros lugares donde la energía renovable aumentará su cuota de energía. México se ha fijado un objetivo de 35% de participación con fuentes de energía limpias para el año 2024 y se le ha pedido que considere la expansión de la infraestructura de la red al agregar sistemas de almacenamiento de energía para evitar desequilibrios en la misma. El hidrógeno presenta la posibilidad de facilitar el balance entre generación renovable y la demanda a través de opciones que faciliten la gestión de ambos lados del mercado e incorporando almacenamiento de energía.
Además de los beneficios al considerar hidrógeno como una vía de almacenamiento de energía con la posibilidad de diferir cargas y generación, este gas presenta otros atractivos en los siguientes sectores:
• sector transporte: empleando hidrógeno en vehículos a celdas de combustible o para la síntesis de biocombustibles y de metano sintético.
• en la red de gas natural: hidrógeno mezclado con gas natural o metano sintético e inyección en la red de gas natural incrementando su contenido energético y disminuyendo emisiones nocivas durante su utilización
• para electrificación limpia a través de turbinas de hidrógeno y generadores eléctricos de celdas de combustible estacionarias
• comercializando hidrógeno para usos en generación de energía o bien en la industria, especialmente refinerías, industria siderúrgica, manufactura de amoníaco, entre otras.
Considerar al hidrógeno como parte del portafolio de energías de un país como México, en donde de acuerdo con la Agencia Internacional de Energía, podríamos tener costos cercanos a las $2 dólares por kilogramo con fuentes renovables como la solar y la eólica, puede significar grandes beneficios al país como un productor de un combustible sustentable.
La flexibilidad en su producción y sus variados usos en el sector energía y transporte, así como producto de valor agregado, i.e. commodity, hacen prudente considerar a este gas como un elemento que no sólo puede ser integrado al escenario energético en nuestro país, sino que seguramente veremos en un futuro no muy lejano a través de numerosas tecnologías listas para diversos mercados. La cuestión es cuando y qué papel habremos de tener como un país en necesidad de reactivación económica y opciones sustentables para nuestra economía.
