¿Qué es el hidrógeno verde?: solución y desafío

Año 2023. En la terminal de Mediterranean Shipping Company (MSC) en el puerto de Valencia, una carretilla portacontenedores trabaja sin descanso. Organiza contenedores de hasta 30 toneladas como si de piezas de juguete se tratase. A pesar del inmenso gasto energético que supone su movimiento, a su alrededor no hay ni rastro de humo. Ni una molécula de CO2. Todo lo que emite es vapor de agua.

Esta imagen no es irreal, forma parte de uno de los tres proyectos piloto de la iniciativa H2Ports para estudiar la aplicación del hidrógeno verde en el sector del transporte y la logística con vistas al futuro cercano. Las pruebas se repiten en otros puntos de Europa. En el distrito de Avedøre, en Copenhague (Dinamarca), se desarrolla un proyecto para la producción de hidrógeno con energía renovable. Y el archipiélago escocés de las Orcadas quiere convertirse en las ‘islas del hidrógeno’.

La Unión Europea y Reino Unido parecen haber tomado la delantera a la hora de explorar las posibilidades del hidrógeno verde como pieza clave hacia la descarbonización de la economía. Es decir, como elemento que contribuya a eliminar las emisiones de CO2 y otros gases de efecto invernadero y cumplir los compromisos del Acuerdo de París. Sin embargo, el camino no parece sencillo y está plagado de incógnitas y desafíos.

El hidrógeno como combustible

El hidrógeno es el elemento químico más simple que existe. Formado por un protón y un electrón (en su isótopo más común) ocupa el primer lugar de la tabla periódica. Es, también, el elemento más abundante del universo. Sin embargo, en la Tierra, apenas lo encontramos en solitario. Siempre aparece combinado formando moléculas más complejas como la del agua (hidrógeno más oxígeno).

“El hidrógeno hay que sintetizarlo, porque no hay mucho en nuestro planeta. En forma de hidrógeno molecular solo lo encontramos en las capas altas de la atmósfera y en las emanaciones volcánicas”, explica María Teresa Azcondo, catedrática de Química Inorgánica de la Universidad CEU San Pablo. “Esto quiere decir que no funciona como una fuente de energía en sí, si no como un vector energético”.

El hidrógeno, usado como combustible, tiene la ventaja de que libera energía sin liberar gases contaminantes. Al reaccionar con el oxígeno durante la combustión, genera vapor de agua. Sin embargo, esto no garantiza que el ciclo de vida del hidrógeno sea limpio. Para producirlo, hace falta separarlo de otros elementos, para lo que hay que aplicar importantes cantidades de energía.

Además del verde, existen otros hidrógenos que reciben su nombre en función del proceso a partir del cual se obtienen. Dependiendo de este, el combustible resultante tiene una huella de carbono diferente. Estos son:

• Hidrógeno negro o marrón. Este se produce a partir de la gasificación del carbón, un proceso que genera grandes cantidades de dióxido de carbono. En la actualidad, es un método en desuso, salvo en China. Aun así, según la Agencia Internacional de la Energía (AIE), la producción de hidrógeno es responsable del 2 % del consumo de carbón en todo el planeta.
• Hidrógeno gris. En este caso, se produce a partir del metano o gas natural, un proceso que también genera CO2. En la actualidad, algo más del 75 % de los 70 millones de toneladas de hidrógeno producidas anualmente procede del metano, según la AIE.
• Hidrógeno azul. “Si en cualquiera de los procesos anteriores aplicamos tecnologías para capturar el carbono liberado, hablamos de hidrógeno azul”, explica Azcondo. “Este proceso es caro, el hidrógeno azul todavía no es rentable”.

Existen también métodos para producirlo a partir de petróleo, aplicando energía de origen nuclear para la electrólisis (hidrógeno morado) o a través de procesos biológicos, entre otros. Todos ellos se encuentran ante retos similares y un gran desafío. “El problema hoy por hoy es que para producir y transportar el hidrógeno hay que gastar más energía que la que luego se consigue cuando se quema”, explica Pedro Prieto, vicepresidente de la Asociación para el Estudio de los Recursos Energéticos (AEREN).

“La pregunta es si realmente podemos generar la energía suficiente como para producir todo el hidrógeno que nos haría falta”. Para hacerse una idea de todo el combustible fósil que habría que reemplazar, a nivel global se consumen más de 100 millones de barriles de petróleo al día, según la administración energética de EE. UU. Eso son cerca de 4.500 millones de toneladas al año, el 70 % de las cuales se usa en transporte.

La apuesta por el hidrógeno verde pasa, en primer lugar, por eliminar las emisiones de los sistemas actuales de producción de hidrógeno. Pero los planes más ambiciosos, como el desarrollado por la Unión Europea, van más allá. El hidrógeno verde es visto como una forma de reemplazar los combustibles fósiles sin cambiar el sistema de transporte ni el productivo y, al mismo tiempo, un vector en el que almacenar la electricidad de fuentes renovables.

“Para que el hidrógeno sea limpio, su proceso de producción debe ser limpio. No puede haber emisiones. Lo que se busca con el hidrógeno verde es dejar de usar combustibles fósiles”, señala María Teresa Azcondo. “Y la forma más sencilla de obtener hidrógeno sin emisiones es mediante la ruptura del agua mediante una electrólisis o mediante ciclos termoquímicos con determinados materiales”. Estos son los dos procesos más utilizados:

1. Mediante ciclos termoquímicos. Este proceso (a grandes rasgos) utiliza óxidos de determinados metales que, a determinada temperatura, reaccionan con vapor de agua liberando hidrógeno. Se produce a temperaturas intermedias (alrededor de 700 grados Celsius) que pueden ser alcanzadas, por ejemplo, con el calor del sol de una central termosolar de concentración. Estas son centrales que concentran la radiación solar en un punto mediante espejos.
2. Mediante la electrólisis del agua. En este caso, se utilizan diferentes tipos de electrolizadores que descomponen el H2O en hidrógeno y oxígeno y funcionan mediante electricidad (que debe ser de origen renovable). Existen dos grandes tipos de este proceso: a baja temperatura, los más habituales, y a alta temperatura con vapor de agua.

Todos los procesos actuales parten de agua dulce, porque cuando los dispositivos de electrólisis se enfrentan al agua del mar, el principal obstáculo es que el proceso libera iones de sodio, cloro o calcio que se apelmazan en el catalizador y, en poco tiempo, lo dejan inactivo. Avanzar en la electrólisis del agua salada podría servir, por ejemplo, para contar con una fuente de combustible estable para los barcos transoceánicos.

¿Cuáles son los inconvenientes del hidrógeno verde?

Los desafíos del hidrógeno verde no terminan en la fase productiva. Para poder usarlo en sustitución de los combustibles fósiles, aunque solo sea parcialmente, hay que poder almacenarlo y transportarlo allí donde sea necesario. ¿Los principales problemas? Es un gas con tan poca densidad que es casi imposible evitar fugas. Además, es bastante corrosivo y muy inflamable, y para mantenerlo en estado líquido hacen falta temperaturas muy bajas (alcanza su punto de ebullición a los -252,9 °C).

De hecho, los retos de usar el hidrógeno como combustible llevan presentes desde que este elemento se usó para alimentar el primer motor de combustión de la historia, hace más de 200 años. “Creo que todavía hay mucho que investigar sobre el hidrógeno. Pero a mí me parece que es el futuro. Desde el Acuerdo de París, muchos países se han puesto a trabajar en alternativas para frenar el cambio climático. La gran ventaja del hidrógeno es que sigue siendo un combustible. No hay que hacer grandes cambios, pero es un combustible limpio”, sostiene Azcondo.

Sin embargo, el futuro del hidrógeno verde no está tan claro. Para Pedro Prieto, quedan muchos frentes sin resolver. “Lo primero que hay que pensar es de dónde sale la energía renovable y la energía para construir los aerogeneradores y las placas solares. Hoy por hoy, esta procede fundamentalmente de los combustibles fósiles”, explica. “Además, hay que pensar en la energía de las infraestructuras para producir el hidrógeno, para encauzar agua, para purificarla o desalinizarla si se hace con agua de mar… Después hay que almacenarlo y transportarlo, con los retos que conlleva”.

En resumen, y tal como detalla el también miembro del panel de la Asociación para el estudio del petróleo y el gas (ASPO por sus siglas en inglés), el principal problema hoy es que, aun asumiendo un proceso eficiente de producción y distribución con pérdidas mínimas de energía, el débito energético inicial del ciclo del hidrógeno supera su crédito energético. Es decir, es necesario gastar más energía en todo el proceso de la que se va a obtener una vez utilizado el hidrógeno.

Los retos del hidrógeno son, en gran medida, los mismos retos de la transición energética para avanzar en materia de sostenibilidad. Reemplazar un sistema que se ha desarrollado sobre los combustibles fósiles durante los últimos 250 años no es sencillo. La electrificación que se plantea, por ejemplo, para los vehículos ligeros no es posible para transportes de gran tonelaje, grandes barcos ni aviones (que seguirán necesitando un combustible a medio plazo). La industria que funciona con elevadas temperaturas, como la cerámica o la papelera, tampoco puede entenderse, hoy por hoy, sin combustibles.

De acuerdo con el informe The future of hydrogen de la Agencia Internacional de la Energía, la nota positiva en el horizonte cercano del hidrógeno la pone el fuerte apoyo que está recibiendo desde el sector público. Tras haber alcanzado un pico de inversión en 2008 y después de una fuerte caída durante la gran recesión, el gasto público en investigación y desarrollo del hidrógeno no ha dejado de crecer con fuerza en los últimos años.

Para la AIE, el hidrógeno verde no es la solución única, pero sí una salida para descarbonizar algunos sectores de la economía que no son fáciles de electrificar. Según el organismo, para hacerlo realidad es necesario multiplicar la inversión para reducir el precio de la producción de hidrógeno verde, solventar los retos de su transporte y almacenamiento y eliminar el aporte que, en la actualidad, hacen el metano y el carbón a esta industria.

Las oportunidades a corto plazo están, según el mismo informe, en reformar la red de gasoductos de metano existente, aprovechar la infraestructura de transporte y la red de comercio actual del gas natural y sacar partido de los puertos industriales, polos energéticos donde hoy se concentra buena parte de la industria petroquímica. El camino a seguir está claro, pero la salida al túnel de la transición energética todavía parece lejana.