Claves del Hidrógeno Verde

Por Francisca Troncoso G.
Thermal Engineering
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En el marco de la búsqueda de fuentes energéticas no contaminantes para reemplazar a los combustibles fósiles, ha surgido con fuerza el hidrógeno verde (HV). Para su obtención se utilizan energías renovables, por lo cual representa una opción carbono neutral.

La tremenda riqueza de fuentes renovables (solar, eólica e hidráulica) existente en Chile, pone a nuestro país en una posición privilegiada en el mundo para la generación de este combustible limpio. A continuación, se presentan algunas claves al respecto.

Propiedades y Obtención

El hidrógeno (H2) es el elemento más abundante del universo, aunque no se presenta en su estado puro. Se encuentra disponible formando compuestos químicos como agua e hidrocarburos, por lo que existen distintos procesos para su producción (extracción).

Es el gas más liviano de todos y se caracteriza por ser incoloro, inodoro, insípido, asfixiante, altamente inflamable y no tóxico. La tabla 1 detalla sus principales propiedades técnicas.

En la actualidad se producen unos 120 millones de ton/año de hidrógeno en el mundo. La mayor parte (96%) proviene de un proceso de reformado de metano y gasificación de carbón (Steam Methane Reforming), y por su modo de obtención se conoce como hidrógeno gris.

Este método es muy rentable (1,8 US$/kg) y energéticamente eficiente, pero con una alta emisión de dióxido de carbono (CO2): se estima en 9 kg de CO2 por 1 kg de H2. En la tabla 2 se indican las etapas de este proceso con sus respectivas reacciones.


El restante 4% de hidrógeno se obtiene a través del proceso de electrólisis del agua dentro de un dispositivo electroquímico llamado electrolizador.

La electrólisis contempla la descomposición de las moléculas que conforman el agua (H2 y O2) mediante la aplicación de una corriente eléctrica a través de 2 electrodos sumergidos: uno negativo (ánodo) en que aparecerá el hidrógeno y otro positivo (cátodo) que captará el oxígeno.

Si la energía eléctrica utilizada en la electrólisis proviene de una fuente renovable (solar, eólica, hidráulica), el producto obtenido se llama hidrógeno verde.


¿Cuánta agua y electricidad se requiere para producir H2 verde? La electrólisis tiene una eficiencia de conversión eléctrica (kWh a kg de H2) que va entre un 60% y 70%, lo que se traduce en un consumo aproximado de 50 a 60 kWh de energía eléctrica para producir 1 Kg de H2.

Como subproducto, se producen 8 a 10 Kg de O2 por cada 1 Kg de H2.

Las cifras exactas de ambos factores dependen del tipo de electrolizador considerado, del material de ambos electrodos y de su eficiencia.

Almacenamiento

Uno de los desafíos asociados al uso de H2 verde como combustible es lograr su almacenamiento de manera compacta, ligera y segura.

Este gas tiene una baja densidad energética por unidad de volumen; por lo tanto, se requiere considerar avanzados métodos para almacenarlo y aumentar su densidad energética. A continuación, se detallan las formas habituales de almacenamiento del hidrógeno:

a) Forma física:

-Tanques o estructuras sólidas:
Gas a presión: Es la modalidad más típica y en la que existe mayor experiencia. El gas se comprime a mínimo 200 atm (p= 15,6 kg/m3) y se envasa. Se debe tener en cuenta el costo energético de la compresión del hidrógeno.
Líquido: Por su temperatura de ebullición se debe almacenar a -293 °C y a 1 atm, donde alcanza una mayor densidad energética. El consumo energético para licuar el H2 es muy grande (13,3 kWh/kg), lo que complica este almacenamiento.

-Inyección en red de gas natural: Como ya existe la red de gas y su infraestructura, es una forma muy rentable de almacenar grandes cantidades de hidrógeno.

-Bajo tierra: Una formación geológica subterránea puede cumplir con todos los requerimientos para el almacenamiento.

b) En sólidos:

También se almacena H2 en materiales sólidos que pueden combinarse con el hidrógeno en una reacción reversible, como el carbono, los hidruros recargables y químicos. Esta alternativa tiene como beneficio el potencial de menor volumen de H2 y la mayor eficiencia energética.

c) A través de otros compuestos:

Una opción son los químicos ligeros, que corresponden a compuestos orgánicos insaturados que pueden almacenar grandes cantidades de hidrógeno en su cadena química para luego ser extraído según las necesidades. Ejemplos son el amoniaco (NH3) y el metanol (CH3OH).

Transporte y Distribución

El hidrógeno se transporta principalmente mediante camiones, en estado gaseoso comprimido o líquido, dependiendo del volumen que se requiere mover. El gran potencial que posee el hidrógeno verde es que se traduce en ''energía almacenable'' que se puede transportar para ser liberada en el lugar y momento en que se requiera. Las alternativas que hoy se ocupan son las siguientes:

a) Contenedores de gas comprimido:

La forma típica de transportar grandes volúmenes de H2 es utilizando varios cilindros o tubos de gas presurizados que se agrupan en camiones llamados remolques tubulares (tube trailer). Como se puede apreciar en la foto adjunta, estos tubos se colocan dentro de un marco protector, de forma horizontal o vertical dependiendo del tamaño de los tubos.

Tube trailer vertical, transportador de hidrógeno comprimido (Linde).

Estos tubos suelen ser de acero y poseen un peso neto muy alto. Por ello, las nuevas tecnologías buscan utilizar materiales más ligeros para lograr un transporte más eficiente.

A pesar de poder comprimir el gas a altas presiones (hasta 500 bares, p=33 kg/m3), la densidad sigue siendo relativamente baja, lo que obliga a ocupar un volumen importante al momento de transportarlo.

b) Transporte líquido:

Como alternativa, el hidrógeno se puede transportar en estado líquido en camiones, trenes y barcos.

La densidad del H2 en estado líquido es de 70,79 Kg/m3; es decir, prácticamente el doble de la obtenida a través de un proceso de compresión (33 Kg/m3).

Esta importante diferencia en las densidades, más los costos asociados a llevarlo en estas condiciones (enfriamiento o compresión), hacen que resulte más rentable trasladar el hidrógeno en forma líquida. Para eso, debe ser cargado en tanques criogénicos aislados a -252 °C.

El consumo de energía asociado al enfriamiento del H2 (licuefacción) es de 12 a 13,3 kWh/kg, es decir, lleva añadido un costo relevante, mucho mayor al de la compresión (2,3 a 3 kWh/kg).

c) Tuberías:

El transporte en tuberías es la opción más rentable y segura. Sin embargo, requiere una alta inversión inicial, lo cual se puede compensar con grandes volúmenes de hidrógeno.

Costos de Producción

El costo de producción del hidrógeno verde está determinado por el precio de la electricidad renovable utilizada, el costo de inversión del electrolizador y sus horas de funcionamiento.

Para producir 1 kg de hidrógeno por electrólisis se necesitan entre 55 y 60 kWh de energía eléctrica, dependiendo de la eficiencia del equipo a utilizar.

Si se toma como referencia el costo de 50 a 60 dólares por megavatio-hora (MWh de energía renovable), el valor de la electrólisis más los insumos, sería entre 3 y 4 dólares por kilogramo, además de los costos asociados a la compresión (0,3-0,4 $US/kg) o la licuefacción (1,6 US$/kg).

Una vez obtenido el H2, falta agregar los costos correspondientes a su transporte, los que irían de 1 a 2 US$/KG para el caso de transmisión y distribución de energía, y de 2,3 a 2,6 US$/kg para la alternativa de traslado.

Los anteriores costos indican que el valor del H2 verde fluctuá hoy entre 7 y 8 US$/Kg, los que podrían ser en su totalidad asociados al costo de la energía eléctrica (electrolisis, enfriamiento, compresión e incluso transporte).

Se requiere de un precio aproximado de 20 a 30 US$/MWh de energía eléctrica y una caída del valor de los electrolizadores de un 30% a 50% para que el H2 verde comience a ser una alternativa viable frente a los combustibles fósiles.

Está previsto que con el paso del tiempo el precio del hidrógeno verde sea cada vez menor, a raíz de las nuevas políticas de cero emisiones, la caída de los costos de las energías renovables, la fuerte actividad comercial en la fabricación de electrolizadores y las mejoras en su eficiencia.

Se espera que para antes del año 2030 el hidrógeno verde entre a competir con los otros combustibles en Chile.


Uso en Calderas

No tiene mucho sentido volver a producir energía eléctrica a partir del hidrógeno, siendo que se consumió ésta misma para producirlo (hidrólisis), salvo en aquellos casos donde no es posible transportarla.

Una opción es utilizarlo como combustible y fuente de calor en calderas y hornos para generar energía térmica.

La gran ventaja del hidrógeno sobre los combustibles fósiles tradicionales es que los productos de la combustión están compuestos principalmente por H2O, N2 y O2 (no existe presencia de CO2).

El hidrógeno gaseoso hace autoignición entre 536 y 585 °C. Sin embargo, para que ocurra la combustión debe existir una cantidad determinada de combustible (hidrógeno) y comburente (aire), junto con una temperatura en el rango descrito. Así se conseguirá la energía de activación y que ocurra la reacción.

La llama de hidrógeno, aire y oxígeno es incolora; cualquier visibilidad de la misma es causada por impurezas. A bajas presiones puede presentarse en un azul o morado pálidos. Cuando se quema en el aire alcanza una temperatura aproximada de 2200 °C, la cual es mayor a la que llega el gas natural (1960 °C).

Mediante algunos reequipamientos y modificaciones, es posible adaptar calderas de combustibles convencionales para que puedan operar con combustible hidrógeno. Es crucial comprobar que los materiales resistan la llama del gas H2. Y también agregar algunos sellos mecánicos, ya que debido al pequeño tamaño de la molécula podría haber filtraciones a través de los sistemas de manejo del combustible; por ejemplo, en el tren de gas del quemador.

Según los productores de calderas, al operar con hidrógeno se debe tener en cuenta algunas consideraciones especiales:

-La cámara de combustión o fogón debe ser un 20% más grande que las que usan GN o GLP, ya que el consumo de aire llega a 39,3 kg. por 1 kg de H2, vale decir, el doble al consumido por el GN.
-La velocidad de propagación de la llama es 10 veces la del GN.
-Debe poseer una purga para el nitrógeno producido, en la rampa de gas.
-Mantener controles y medidores para la combustión, ya que se producen 40,2 kg. de productos de combustión por kg. de hidrógeno (el doble que para el GN).
-No utilizar hierro fundido como material. El acero fundido sí es aceptable, ya que no provoca fugas.
-Los productos de la combustión del hidrógeno poseen una humedad más alta (30,6%) que los del gas natural (16,8%).

Emisiones en la Combustión

La combustión de hidrógeno sólo produce vapor de agua cuando el comburente es oxígeno puro. Si se emplea aire atmosférico habrá presencia de nitrógeno, el cual reacciona con el H2 formando óxidos de nitrógeno (NOx).

El NOx contribuye al calentamiento global, daña la capa de ozono, produce lluvias ácidas y favorece el efecto invernadero.

En el caso de la combustión del H2, la generación de NOx (térmico) se ve favorecida por una mayor temperatura llama que es 3 veces mayor a la resultante de la combustión del GN.

Este hecho obliga a considerar quemadores con sistemas de bajo NOx para evitar una emisión excesiva de este contaminante.

Artículo publicado en InduAmbiente 171 (julio-agosto 2021), páginas 28 a 31.