Hidrógeno Verde

Es el nombre que se le da al hidrógeno que ha sido generado a partir de fuentes y energías renovables

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Hidrógeno verde

Hidrógeno verde es el nombre que se le da al hidrógeno que ha sido generado a partir de fuentes y energías renovables. Este sirve como combustible, y al ser utilizado, no genera CO2, el gas de efecto invernadero que emiten al quemarse la mayoría de los combustibles fósiles, ya que no contiene carbono en su interior. En su lugar, el consumo de la energía del hidrógeno simplemente genera otro compuesto conocido: agua. No es una fuente de energía en sí, sino un elemento que puede servir para almacenar, transportar y distribuir energía; un “vector energético”.

Fundamentos básicos del hidrógeno


El hidrógeno es el elemento más liviano y abundante del universo, pero no puede ser encontrado en el planeta en estado puro, sino que unido a otros compuestos, como el agua (unión molécula de hidrógeno y oxígeno), hidrocarburos y compuestos orgánicos (uniones de hidrógeno y carbono), etc.

Dependiendo de la forma en que se obtenga, al hidrógeno se le nombra con distintos colores [1]. Gris, cuando se extrae de combustibles fósiles como el carbón, petróleo o gas. Azul, se le denomina cuando el hidrógeno es producido con bajas emisiones de carbono, como cuando se realiza el mismo proceso que el del gris, pero se usa tecnología de captura o aprovechamiento de las emisiones. Y Verde, cuando se obtiene utilizando energías renovables y produciendo cero emisiones, generalmente separando moléculas de agua. El hidrógeno gris y azul, hoy en día son más baratos de producir y está más extendido su uso que el verde, el que representa un 4% de la producción total de hidrógeno actual, de casi 100 millones de toneladas [2]. Sin embargo, con la disminución de costos de las energías renovables, se estima que esta brecha será cada vez más corta. 

Una de las características más positivas del hidrógeno para su uso como combustible es su alta densidad energética, lo que implica que, en una baja cantidad de masa, guarda una gran cantidad de energía, siendo incluso más denso en este aspecto que combustibles fósiles como el carbón, el petróleo y el gas natural. 

Por otro lado, uno de sus inconvenientes es que, al ser un gas tan liviano, ocupa una gran cantidad de volumen, por lo que es necesario comprimirlo a presiones altas, o licuarlo a temperaturas mínimas, para poder ocupar mejor su potencial. También existen métodos, que se encuentran actualmente en desarrollo, como guardar el hidrógeno en metales capaces de absorberlo, los hidruros metálicos.


[1] For the Green Deal, hydrogen also needs to be green; Aurelia Turbines; 2019.
[2] Hydrogen Generation Market Size, Share & Trends Analysis Report(...);Grand View Research; 2021
 

Energía contenida en distintos combustibles

Fuentes gráfico:
[3] Energy conversion and storage based on hydrogen (...); M.E. Martins (...); Universidad de Zulia; 2008.
[4] Almacenamiento de hidrógeno; H2 Chile; 2021.
[5] Compressed natural gas (cng); Unitrove, 2021.

 

Almacenamiento líquido

Se necesita llevar el hidrógeno a una temperatura bajo los -252 °C para poder licuarlo, y se debe aislar y refrigerar para mantenerlo así, con lo que el costo aumenta en aproximadamente 1 USD por kg de hidrógeno [6]. También se utiliza más energía que en el proceso de presurización, logrando una eficiencia del orden del 70% [7]. Sin embargo, almacenarlo de esta forma tiene grandes ventajas en cuanto a la energía almacenada, pudiendo guardar aproximadamente el doble que el del gas comprimido en el mismo volumen.

Almacenamiento gaseoso

Es la opción más económica y sencilla de almacenamiento, añadiendo un costo de aproximadamente 0.3 USD por kg de hidrógeno almacenado[6], y además se utiliza menos energía para comprimirlo, pudiéndose llevar a 700 bar de presión con entre un 80 y 91% de eficiencia[7]. Por contra, se puede almacenar una menor cantidad de hidrógeno, y a mayor presión, mayor grosor deben tener los tanques que lo guardan, agregándole más peso al sistema que lo transporte.

 

[6] Evaluación técnica y económica del uso de hidrógeno verde (...); F. Ladislao; 2020
[7] Technology Roadmap Hydrogen and Fuel Cells; A. Körner; 2015

Usos


El hidrógeno verde puede ser usado como combustible sustentable para transporte (autos, camiones, trenes, barcos e incluso aviones), máquinas pesadas, almacenamiento de energía para entregarle estabilidad a una red eléctrica, calefacción, en la producción de acero y como materia prima para generar otros compuestos útiles para distintas industrias, logrando incluso procesar combustibles como el metanol, amoníaco, propano, y otros,  de forma neutral o cero en cuanto a emisiones de carbono.

El uso y la adopción del hidrógeno verde puede jugar un rol clave en la transición energética y la reducción de emisiones como estrategia contra el cambio climático, ya que es una forma de llevar energía renovable a procesos que normalmente no la pueden utilizar. Entre los usos más importantes en el largo plazo, su demanda en transporte y como apoyo en la red eléctrica representarían el 40% de la demanda mundial de hidrógeno para el 2050 [8], mientras que en el corto y mediano plazo, la producción de amoniaco verde se perfila como la más importante, un componente muy útil, versátil y utilizado hoy en día.

 

[8] Hydrogen Council; 2017

Tecnologías de producción de H2 verde


La mayor parte del hidrógeno verde se produce separando las moléculas de agua en oxígeno e hidrógeno, mediante un proceso denominado electrólisis. Este consiste en hacer circular corriente eléctrica por agua, para separar sus moléculas en hidrógeno y oxígeno. Los principales métodos de electrólisis comerciales hoy en día son:

Alcalino

 
Utiliza 2 electrodos en una solución alcalina (típicamente hidróxido de potasio), separados por una membrana que deja pasar iones hidroxilos (OH-) cuando se le aplica corriente, y evita la mezcla del oxígeno con el hidrógeno que resulta. Funciona mejor para plantas de generación grandes y de corriente estable. Es la tecnología más madura, extendida y la de menor costo.[9][10]

 

PEM

Considerados como la opción más prometedora a futuro, utiliza una membrana sólida de intercambio de protones (H+). Funciona bien para plantas de energía más pequeñas y con alta variabilidad. Posee altas densidades de corriente, produce un hidrógeno más puro y evita utilizar electrolitos líquidos. [9][10]

[9] Análisis (...) de un electrolizador(...) ;Soto, Octavio; Universidad de Chile; 2020.
[10] Aprovechamiento de recursos energéticos renovables no integrables en la red eléctrica; Universidad de Sevilla; 2009.


Capacidad y potencial


Durante los últimos 6 años, Chile ha quintuplicado su capacidad de energía solar y eólica, debido a sus excelentes condiciones naturales y a la increíble reducción en los costos de estas (82% la solar y 40% la eólica terrestre entre 2010 y 2019) [11]. Según datos del Ministerio de Energía, Chile cuenta con más de 1.800 GW de potencial energético de estas materias, lo que equivale a 70 veces la demanda de energía nacional, y destaca mundialmente por su radiación solar en el norte, y por la energía de sus vientos en la zona austral [12]. Esto, junto al hecho de que algunas  fuentes  renovables presentan una alta variabilidad, han posicionado al hidrógeno verde como unas de las principales alternativas para ser usado como  combustible y respaldo en la red eléctrica, y a Chile como candidato a ser uno de los principales productores de este en el mundo.


En este contexto, se ha buscado orientar al país para lograr su mejor desarrollo en esta industria, para lo cual se ha generado la Estrategia Nacional de Hidrógeno Verde en Chile. En este plan se propone un camino y se establecen las metas que ayudarían al país a convertirse en uno de los grandes actores mundiales del hidrógeno. Entre sus principales metas, están, convertirse para el 2030, en el principal y más barato productor de hidrógeno verde a nivel mundial. Se podrían producir para el 2050, 160 millones de toneladas de hidrógeno verde al año, considerando tanto las exportaciones como el uso a nivel nacional, lo que significaría un tamaño de mercado de 33 billones de USD, similar a lo que representa el cobre para Chile actualmente.

 

[11] Renewable Power Generation Costs in 2019; Irena; 2020.
[12] Estrategia nacional del hidrógeno verde, Ministerio de energía, 2020.

 

Estimaciones Mundiales mencionadas dentro de la estrategia

2030

2050

Energía suministrada mundialmente por hidrógeno -4 PWh de energía anual -22 PWh de energía anual

 

 

Estimaciones Nacionales mencionadas dentro de la estrategia

2030

2050

Tamaño Exportación Chilena $3.000 millones USD/año $24.000 millones USD/año
Tamaño Mercado interno Chileno $2.000 millones USD/año $9.000 millones USD/año
Inversión Necesaria Acumulada 45 millones USD 330 millones USD
Capacidad de generación renovable asociada 40 GW 300 GW
Empleos 22.000 91.000
Emisiones GEI (Gases Efecto Invernadero) n/m Hasta un 25% de ahorro en emisiones

 

 

Metas estrategia nacional del hidrógeno verde

2030

2050

Capacidad de electrólisis construida y en desarrollo 5 GW 25 GW
Otros Producir 200 mil toneladas de hidrógeno verde al año, lograr inversiones de 5 mil millones de dólares para la fecha. Producir el hidrógeno verde más barato del mundo (menos de 1.5 USD/kg), y exportar 2.5 mil millones de dólares en hidrógeno verde y derivados de este.