Energía del hidrógeno: ¿una revolución verde oculta a plena vista?

Imagine, solo por un momento, que toda la energía que necesitamos (y más) estuviera disponible al alcance de la mano, almacenada libremente en el elemento más común del planeta. Imagine que esta misma energía pudiera cosecharse y utilizarse para impulsar muchos sectores de nuestra economía y múltiples facetas de la actividad humana. Imagine que pudiera librarnos para siempre de los combustibles fósiles, que hacen tanto daño al clima.

Para los no iniciados, esto puede sonar como una película de ciencia ficción, una solución imaginaria a nuestros problemas medioambientales. Sin embargo, este escenario tan utópico no está tan alejado de la realidad.

Démosle la bienvenida a la energía del hidrógeno.

La prueba de concepto está bien establecida: la energía del hidrógeno ya se produce y utiliza comercialmente en todo el mundo.

La energía del hidrógeno deriva, como su nombre indica, del elemento más simple y abundante del universo: el hidrógeno. Cuando una llama de gas hidrógeno se quema en el aire, la reacción del oxígeno (O₂) con el hidrógeno (H₂) libera una energía que se puede utilizar como combustible. ¿Y el producto derivado? Agua: H₂O.

Sin embargo, como suele ocurrir, hay un pequeño inconveniente. En la actualidad, alrededor del 95 % del hidrógeno consumido globalmente utiliza combustibles fósiles en alguna fase del proceso de producción[1]. El método más popular, el reformado de metano con vapor (Steam Methane Reforming, SMR), requiere vapor a alta temperatura y presión. Actualmente, solo los combustibles fósiles pueden suministrar este tipo de fuente de energía, lo que supone un serio inconveniente para las credenciales ecológicas del hidrógeno.

Sin embargo, los innovadores que apuestan por una futura “economía del hidrógeno” no se rinden fácilmente. Los expertos prevén un escenario no demasiado lejano en el que el hidrógeno proporcionará energía de forma asequible y limpia a nuestras vidas diarias, incluso para aspectos que ahora no son adecuados para la electrificación. El hidrógeno podría utilizarse para almacenar energía a largo plazo, para vehículos impulsados por hidrógeno, como se comenta en nuestro artículo de Perspectives, para calefacciones e incluso para mezclar con CO₂ capturado y producir combustible de aviación limpio. Todo ello sin una mayor huella de carbono que una inocua columna de vapor de agua que se libera en la atmósfera[2].

Todo lo que se necesita para esta revolución energética es un poco de ingenio, una pizca de determinación y una fusión de los cerebros más atrevidos en tecnología.

Título de la ilustración: El hidrógeno podría revolucionar la movilidad con vehículos libres de emisiones

Cómo desbloquear un futuro descarbonizado

El llamado hidrógeno “verde” no utiliza combustibles fósiles, sino energía renovable para potenciar la electrólisis del agua y producir gas hidrógeno.

La transformación de las energías renovables en gas almacenable supera dos de las limitaciones que actualmente ralentizan el avance de las renovables. Las renovables son inconsistentes (la energía solar y eólica dependen del sol y del viento, respectivamente) y su generación no siempre se sincroniza con la demanda.

Además de abundante electricidad, lo único que se necesita para producir hidrógeno verde es agua y un equipo conocido como electrolizador. Una vez se obtiene ese producto final tan importante, su versatilidad es incomparable.

El hidrógeno verde se puede utilizar para alimentar directamente celdas de combustible en automóviles o barcos, se puede quemar en plantas térmicas o de calefacción, o simplemente podría ayudar a reemplazar algunos de los 10 millones de toneladas de hidrógeno industrial que se producen anualmente en EE. UU. a partir de gas natural[3].

No es de extrañar que algunos lo consideren la próxima gran novedad y que tanto sectores públicos como privados estén invirtiendo mucho tiempo y dinero en perfeccionar el proceso.

El desarrollo de hidrógeno limpio superaría algunos de los desafíos que hasta ahora han limitado el progreso del hidrógeno. La producción tradicional de hidrógeno no es un proceso limpio. Actualmente, el gas natural es la principal fuente de producción de hidrógeno y representa entre un 45 % y un 75 % de sus costes totales[4]. Además, que el hidrógeno se produzca a partir de combustibles fósiles significa que el gran crecimiento de la demanda de hidrógeno (se ha triplicado desde 1975) va acompañado de un aumento en las emisiones generadas por la producción tradicional de hidrógeno. En este momento asciende a 830 millones de toneladas de CO₂ al año, aproximadamente la misma cantidad que las emisiones totales de CO₂ del Reino Unido e Indonesia combinadas[5].

No es solo una idea

Las empresas de combustibles fósiles se enfrentan a restricciones cada vez más estrictas para alcanzar los objetivos de reducción de emisiones definidos en el Acuerdo de París, que pretende limitar el aumento de la temperatura media global este siglo a menos de 2 °C en comparación con los niveles preindustriales. Para lograrlo será necesario reducir sustancialmente las emisiones en todos los sectores. Por lo tanto, estas organizaciones suelen centrarse en la investigación del hidrógeno verde.

Emisiones de dióxido de carbono relacionadas con la energía con las políticas actuales (caso de referencia) en comparación con la adopción acelerada de energías renovables (REmap), 2010-2050

Por ejemplo, Lightsource BP, la filial para energía solar de BP, está desarrollando una planta de hidrógeno verde de 1,5 GW alimentada con energía solar y eólica en Australia Occidental[6].

Por su parte, Shell Nederland se ha asociado con Eneco en una puja para participar en una licitación de energía eólica en alta mar holandesa destinada a alimentar un centro de hidrógeno de 200 MW en el puerto de Rotterdam[7].

Los gobiernos de todo el mundo se están subiendo al carro del hidrógeno verde. El Reino Unido, Alemania, Japón y Australia, este último con un fondo de más de 200 millones de USD para poner en marcha sus esfuerzos, han revelado sus estrategias de hidrógeno. Los Países Bajos pretenden tener 500 MW de electrolizadores ecológicos operativos para 2025, mientras que Portugal está planeando una nueva planta solar destinada a producir hidrógeno verde para 2023[8].

Gran parte del entusiasmo proviene de Europa, ya que la Comisión Europea ha identificado el hidrógeno verde como un pasaporte para lograr su objetivo de alcanzar la neutralidad en carbono para el año 2050. La estrategia por fases de la CE incluye:

• Instalar al menos 6 gigavatios de electrolizadores de hidrógeno renovables en la UE para 2024, con capacidad de producir hasta un millón de toneladas de hidrógeno renovable.
• Instalar al menos 40 gigavatios de electrolizadores para producir hasta diez millones de toneladas de hidrógeno renovable entre 2025 y 2030
• Implementar tecnologías de hidrógeno a gran escala en todos los sectores “difíciles de descarbonizar” entre 2030 y 2050[9].

Estas no parecen ser promesas vacías. De hecho, para garantizar que se alcancen estos ambiciosos objetivos, la CE ha lanzado una nueva asociación llamada Alianza Europea de Hidrógeno Limpio.

Esta alianza reúne a líderes nacionales y regionales, bancos y representantes de la industria para garantizar un canal de inversión destinado a aumentar la producción de hidrógeno verde, al mismo tiempo que se introducen estándares, terminologías y certificaciones comunes.

Con la alianza, la UE pretende desarrollar su liderazgo global en este ámbito y apoyar su compromiso de alcanzar la neutralidad en carbono para 2050. Todo esto debería promover la seguridad de los inversores y garantizar así la infraestructura y las redes logísticas necesarias para que el hidrógeno verde pueda desarrollar su potencial.

La comisaria europea de Energía, Kadri Simson, ha declarado: “El sistema de energía de la UE tiene que estar mejor integrado, ser más flexible y ser capaz de acomodar las soluciones más limpias y rentables. El hidrógeno desempeñará un papel clave, ya que el descenso de los precios de las energías renovables y la innovación continua lo convierten en una solución viable para una economía climáticamente neutral”.[10]

¿El precio explotará la burbuja del hidrógeno?

Como ocurre en la mayoría de los casos, el dinero tiene la última palabra, y el hidrógeno no es barato. Según el Banco Europeo de Reconstrucción y Desarrollo (BERD), actualmente el hidrógeno verde cuesta alrededor de 3-6 USD por kilogramo, en comparación con los 1-1,8 USD por kilogramo del hidrógeno fabricado con combustibles fósiles.[11]

Sin duda, esto es un inconveniente, pero no es el único.

La Agencia Internacional de Energías Renovables (IRENA) prevé que en la mezcla de energía global para 2050 habrá unos 19 extractores de hidrógeno impulsados por electricidad renovable. Sin embargo, producir esa cantidad de hidrógeno renovable (o productos basados en hidrógeno) requerirá de 4 a 16 teravatios de energía solar y eólica[12].

Se ha calculado que la producción de 19 extractores de hidrógeno necesitará al menos 6690 TWh de electricidad al año. Esto equivale a 1775 GW de parques eólicos marinos, 2243 GW de energía eólica terrestre, 4240 GW de energía solar fotovoltaica o 957 GW de energía nuclear[13]. Esto está bastante alejado de nuestra capacidad instalada actual: 23,4 GW de energía eólica marina, 540,4 GW de energía eólica terrestre, 480,4 GW de energía solar fotovoltaica y 397 GW de energía nuclear.

Estas desalentadoras cifras explican por qué algunos expertos de la industria están defendiendo una medida provisional que se conoce como “hidrógeno azul”: hidrógeno producido con gas natural y CCUS (captura, almacenamiento y uso del carbono). Por desgracia, solo es posible “capturar” aproximadamente el 80 % del carbono emitido durante este proceso, por lo que un ecosistema energético que dependa del hidrógeno azul seguiría siendo responsable de millones de toneladas de emisiones cada año[14].

Aunque las comparaciones de costes puros parecen desfavorables para el hidrógeno verde, merece la pena recordar el antiguo principio de la oferta y la demanda: los precios disminuirán inevitablemente a medida que aumente el uso.

Por ejemplo, el Banco Europeo para la Reconstrucción y el Desarrollo (BERD) espera que la caída de los costes de la electrólisis y el abaratamiento de la energía renovable reduzcan el precio del hidrógeno verde a no más de 1,50 USD por kilogramo para 2050. Esto lo haría comparable con el gas natural, especialmente si las penalizaciones de carbono aumentan aún más el lastre de los combustibles fósiles.

“Probablemente nos encontramos en la misma situación que hace una década o dos con las energías renovables, donde la solución es más cara que las alternativas. Si las cosas siguen adelante y si en el futuro hay un impulso de las políticas, esperamos que el hidrógeno sea competitivo en costes pronto”, afirma Christian Carraretto del BERD.[15]

Del mismo modo, en su informe “Futuro del hidrógeno”[16], la AIE predice que el coste de producir hidrógeno a partir de energía renovable podría caer un 30 % para 2030 como resultado de la reducción de los costes de las renovables y el aumento de la producción de hidrógeno.

Según la AIE: “Con la disminución de los costes de la electricidad renovable, en particular de la energía solar fotovoltaica y eólica, cada vez hay más interés por el hidrógeno electrolítico y en los últimos años ha habido varios proyectos que han demostrado su viabilidad (…) Con la disminución de los costes de la energía solar fotovoltaica y la generación eólica, la construcción de electrolizadores en ubicaciones con excelentes condiciones de recursos renovables podría convertirse en una opción para proporcionar un suministro barato para el hidrógeno”.

La perspectiva de la política

A pesar de todo, IRENA no duda en identificar el hidrógeno derivado de energías renovables como el “eslabón perdido” en la transición energética, puesto que sería capaz de proporcionar energía para sectores que, de otro modo, sería difícil descarbonizar a través de la electrificación.

Sin embargo, reconoce que para atraer la inversión privada necesaria es fundamental contar con una política y un marco normativo favorables.

Por ello, IRENA recomienda:

• Diseñar instrumentos de apoyo financiero, como subsidios para gastos de capital y desgravación fiscal, destinados a compensar el coste inicial de las nuevas tecnologías.
• Introducir restricciones a las emisiones y leyes para el contenido de energía renovable en la industria a fin de fomentar una mayor demanda de hidrógeno
• Establecer tarifas de inyección para redes de gas a largo plazo.
• Permitir a los desarrolladores de electrolizadores participar en mercados de servicios auxiliares.
• Reducir el riesgo de las inversiones para estimular la captación del mercado y apoyar la infraestructura y el despliegue del hidrógeno.[17]

Además, IRENA señala que hay muchas razones para esperar que el apetito por el hidrógeno verde aumente a medida que maduran las tecnologías clave.

Los electrolizadores de membrana de intercambio de protones (PEM) y las pilas de combustible se están acercando a economías de escala, con un despliegue comercial ya en marcha en mercados clave como Japón, California y Europa[18].

Además, con frecuencia los nuevos electrocombustibles pueden reemplazar a los combustibles fósiles sin necesidad de adaptar el equipo en el punto de uso, lo que es potencialmente importante para sectores como la aviación.

Ya se han identificado varias industrias en las que el hidrógeno verde puede hacer avances inmediatos y sustanciales en los objetivos climáticos. Estas incluyen operaciones a gran escala, como la fabricación de petroquímicos y acero o los vehículos de transporte medio a pesado, como autobuses, camiones, trenes y barcos.

La movilidad es quizás uno de los sectores fundamentales que ya está bien encaminado para aprovechar los beneficios del hidrógeno, al mismo tiempo que ayuda a cambiar las percepciones.

Japón es líder mundial en vehículos con celdas de hidrógeno. Su objetivo es tener 200 000 vehículos de hidrógeno en la carretera para 2025 y alcanzar los 800 000 en 2030[19]. Estos contarán con el apoyo de una red nacional de estaciones de repostaje de hidrógeno, diseñadas para que haya millones de vehículos de hidrógeno en las carreteras del país. Si miramos más adelante, el objetivo es que haya 320 estaciones de hidrógeno operativas para 2025 y 900 para 2030[20].

El gigante automovilístico japonés, y socio de larga trayectoria Abdul Latif Jameel, Toyota Motor Corporation lleva mucho tiempo defendiendo que la tecnología de pilas de combustible de hidrógeno podría impulsar muchos de tipos de vehículos y considera que las ventas globales de vehículos eléctricos con pilas de combustible aumentarán significativamente en la próxima década. En consonancia con estas expectativas, planea producir más de 30 000 coches eléctricos con pilas de combustible al año hasta finales de 2021[21], un aumento significativo en comparación con los 3000 al año de 2018.

De hecho, este Toyota Mirai, suministrado por Abdul Latif Jameel, fue elegido para lanzar la primera estación de reabastecimiento de pilas de hidrógeno de Arabia Saudí en el parque científico Dhahran Techno Valley en 2018[22]. Una clara señal de que la energía del hidrógeno está en movimiento.

El hidrógeno anuncia una gran cantidad de avances

¿Cómo almacenamos toda esta energía limpia de hidrógeno que esperamos llegar a producir algún día y cómo la utilizamos para electrificar la industria y el transporte? Pilas y celdas de combustible.

Estas tecnologías, que tienen mucho en común, poseen la capacidad compartida de convertir la electricidad almacenada en energía química, lista para usarse cuando y donde se necesite.

Según la Agencia Internacional de la Energía (AIE), la capacidad mundial para fabricar celdas de batería se ha ampliado exponencialmente en los últimos años y a partir de 2020 se producen 320 GWh de baterías para vehículos eléctricos anualmente[23]. Eso es más que suficiente para alimentar los 2,1 millones de vehículos eléctricos vendidos en 2019, pero no llega a los 1000 GWh que serán necesarios para 2025 si se cumplen los objetivos de ventas de vehículos eléctricos. China marca el ritmo en este ámbito, con alrededor del 70 % de la capacidad global, seguido de Estados Unidos con un 13 %.

Por el contrario, Europa lidera el camino de la producción de electrolizadores para la energía del hidrógeno, con una capacidad de fabricación anual de 1,2 GW, suficiente para 500 000 coches con pilas de combustible. El impulso está creciendo, con ITM Power completando la construcción de la mayor planta de electrolizadores del mundo (que tiene previsto producir 1 GW al año) en Sheffield, Reino Unido, a principios de 2021.[24]

Tamaño medio de la instalación de los proyectos de electrolizadores, 2000-2019

“Idealmente, los paquetes de estímulo a la energía limpia incluirán la fabricación simultánea de baterías y electrolizadores para aprovechar los beneficios de la interacción entre ambas tecnologías”, dice la AIE.[25]

En Abdul Latif Jameel creemos firmemente que los inversores privados pueden animar a los gobiernos y a las grandes empresas a acelerar la agenda ecológica. Con nuestra cartera técnica, que impulsa los límites, estamos bien posicionados para aumentar el campo de la energía de hidrógeno, gracias en parte a nuestra investigación pionera en almacenamiento de energía de baterías.

En noviembre de 2020, a través del especialista en energías renovables Fotowatio Renewable Ventures (FRV), parte de Abdul Latif Jameel Energy, nos embarcamos en nuestro segundo proyecto de baterías a escala de servicios públicos en West Sussex, Reino Unido. El proyecto Contego, de 34 MW, desarrollado en colaboración con Harmony Energy, incorpora un sistema de 28 baterías de iones de litio Tesla Megapack.

Este proyecto se basa en el éxito de la antigua planta de baterías de 7,5 MW de FRV en Holes Bay, Dorset, y forma parte de su compromiso continuo de ampliar los límites de la energía renovable, incluido el hidrógeno.

Un compromiso que impulsó a Fady Jameel, presidente adjunto y vicepresidente de Abdul Latif Jameel, a aplaudir la determinación de Abdul Latif Jameel de “conformar un modelo de energía sostenible y renovable como parte de la transición continua del Reino Unido para dejar atrás los combustibles fósiles”.

Si pretendemos dejar un planeta habitable y próspero para las generaciones futuras, debemos completar con éxito esta transición. El papel de la energía del hidrógeno en este nuevo y desafiante panorama energético aún no se ha puesto de manifiesto.

Sin embargo, no podemos ignorar el potencial del hidrógeno verde para impulsar grandes sectores de nuestra sociedad de forma limpia y sostenible.

Los avances tecnológicos en el campo de la energía del hidrógeno son vertiginosos.

Si la política pública evolucionase con la misma rapidez, podríamos ser testigos de la transformación de un humilde elemento de la tabla periódica en un protagonista de la escena global.

[1] https://www.vox.com/energy-and-environment/2018/2/16/16926950/hydrogen-fuel-technology-economy-hytech-storage

[2] https://webstore.iea.org/download/direct/2803?filename=the_future_of_hydrogen.pdf

[3] https://www.greentechmedia.com/articles/read/green-hydrogen-explained

[4] The Future of Hydrogen, IEA

[5] The Future of Hydrogen, IEA

[6] https://www.reuters.com/article/us-bp-hydrogen-australia-idUSKBN22K0IC

[7] https://www.smart-energy.com/renewable-energy/shell-eneco-announce-dutch-wind-powered-green-hydrogen-hub/

[8] https://www.ebrd.com/news/2020/is-green-hydrogen-the-sustainable-fuel-of-the-future-.html

[9] https://ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/en/ip_20_1259

[10] https://ec.europa.eu/commission/presscorner/detail/en/ip_20_1259

[11] https://www.ebrd.com/news/2020/is-green-hydrogen-the-sustainable-fuel-of-the-future-.html

[12] https://www.irena.org/newsroom/articles/2019/Oct/Unprecedented-momentum-for-green-hydrogen

[13] https://www.rechargenews.com/transition/a-wake-up-call-on-green-hydrogen-the-amount-of-wind-and-solar-needed-is-immense/2-1-776481

[14] https://www.rechargenews.com/transition/a-wake-up-call-on-green-hydrogen-the-amount-of-wind-and-solar-needed-is-immense/2-1-776481

[15] https://www.ebrd.com/news/2020/is-green-hydrogen-the-sustainable-fuel-of-the-future-.html

[16] The Future of Hydrogen, IEA

[17] https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2018/Sep/IRENA_Hydrogen_from_renewable_power_2018.pdf

[18] https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/Agency/Publication/2018/Sep/IRENA_Hydrogen_from_renewable_power_2018.pdf

[19] Japan: Taking a Lead in Hydrogen,

[20] Japan Sees Big Future in Hydrogen Cars

[21] Toyota plans to expand production, shrink cost of hydrogen fuel cell vehicles

[22] Saudi Aramco and Air Products to build Saudi Arabia’s first hydrogen fuel cell vehicle fueling station

[23] https://www.iea.org/articles/batteries-and-hydrogen-technology-keys-for-a-clean-energy-future

[24] https://renewablesnow.com/news/itm-power-moves-in-1-gw-per-year-electrolyser-plant-in-sheffield-726704/

[25] ^{https://www.iea.org/articles/batteries-and-hydrogen-technology-keys-for-a-clean-energy-future}