Capítulo 2.7: El hidrógeno verde: ¿una solución mágica al cambio climático? 

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Luca Ferrari

Introducción

En 2020 la Unión Europea presentó su “Estrategia de hidrógeno para una Europa climáticamente neutra”, cuyo objetivo es hacer posible el uso generalizado del hidrógeno para 2050 como parte del Pacto Verde Europeo destinado a reducir a cero las emisiones de gases de efecto invernadero. La idea del hidrógeno como fuente de energía del futuro no es nueva. Se remonta incluso a Julio Verne quien la propuso en uno de sus libros de ciencia ficción del siglo XIX. Con el desarrollo de la energía nuclear en los años 50’ se pensó que la humanidad había encontrado una manera de producir electricidad de forma muy barata, que podría usarse para producir hidrógeno que a su vez se usará como combustible. La energía nuclear reveló ser  menos prometedora de lo anticipado, pero, con la creciente dependencia de Estados Unidos del petróleo importado y las preocupaciones sobre el cambio climático poco tiempo después, el hidrógeno volvió a proponerse como la panacea a inicios del siglo XXI. En un famoso discurso en febrero de 2003 el expresidente George W. Bush habló por primera vez de una nueva “economía del hidrógeno” que recuperaría la independencia energética de ese país. 

En los años siguientes Estados Unidos invirtió miles de millones de dólares en investigaciones     , subsidios a compañías automotrices y empresas de celdas de combustible para proyectos que finalmente no tuvieron una aplicación práctica.1 Años después, en junio de 2014, el gobierno de Japón anunció oficialmente una política para convertir al país en una economía basada en el       hidrógeno, con base en una “Hoja de Ruta Estratégica para el Hidrógeno y las Pilas de Combustible.” A pesar de una fuerte inversión hacia una movilidad basada en el hidrógeno e incluso su promoción en los recientes juegos olímpicos de 2020, la venta de vehículos con celdas de hidrógeno no ha logrado despegar: En la actualidad, Japón sólo tiene 4,000 vehículos de hidrógeno, es decir, apenas la décima parte de lo que el gobierno había planteado en 2014. 

En este sentido, vale la pena preguntarse si la más reciente apuesta de la Unión Europea por el hidrógeno será más exitosa que las anteriores? y, tal vez aún más importante, ¿es realmente el hidrógeno la solución mágica para la descarbonización de la economía? Un análisis serio de la física y química detrás del mito del hidrógeno indican todo lo contrario. 

La producción de hidrógeno y su eficiencia 

Lo primero que hay que aclarar es que el hidrógeno sólo puede producir energía si se encuentra en forma libre y reacciona con el oxígeno. Sin embargo, en este planeta, el hidrógeno no se encuentra en este estado libre: o está ligado con el oxígeno a formar agua (H2O) o con el carbono formando hidrocarburos (p.ej. metano o CH4). Esto implica que para separar el hidrógeno se necesita de energía, en importantes cantidades, para extraerlo de estas moléculas. El hidrógeno, por lo tanto, no es una fuente de energía sino un vector (carrier) o un almacenador de energía que, como veremos más adelante, tiene baja eficiencia. En la actualidad, el método más común de producción, que provee el 96% del hidrógeno usado en la industria,2 es a través del reformado con vapor de agua a partir del gas natural (metano) o del carbón, que produce como resultado H2 + CO2. Este método, evidentemente, no resuelve el problema ambiental o climático ya que requiere de la quema de un combustible fósil y emite bióxido de carbono. De hecho, este tipo de hidrógeno se denomina como negro (si procede del carbón) o gris (si procede del metano). 

Otro método para producir hidrógeno es mediante la electrólisis a partir del agua. Esto consiste en pasar energía eléctrica entre un cátodo y un ánodo para separar H2 y O2. Si la electricidad utilizada procede de fuentes renovables el producto se define como “hidrógeno verde”, que se promueve como una forma de convertir la electricidad excedente de parque eólicos y solares en un combustible gaseoso, para utilizarse en procesos o aplicaciones que requieren una alta intensidad energética y no pueden ser electrificados, como la producción de amoníaco (precursor de los fertilizantes), la producción de metanol y la producción de acero. El otro uso que se vislumbra es el de almacenarlo y utilizar su contenido energético recombinándolo con oxígeno en una reacción de combustión o convirtiéndolo nuevamente en electricidad, a través de una pila de combustible de hidrógeno. 

La razón de que sólo un 2-3% del hidrógeno procede de la electrólisis del agua es económica se debe a que el hidrógeno que se produce a través de este método es mucho más costoso que el que se produce a partir del gas natural y por ende sólo se usa para aplicaciones que requieren un producto extremadamente puro, como por ejemplo el combustible de los cohetes espaciales. El costo de producción está relacionado con el costo energético. La primera ley de la termodinámica nos indica que en cada transformación de una forma de energía a otra perdemos una parte. Por lo tanto, en el caso del hidrógeno verde tenemos primero que producir electricidad (normalmente un proceso poco eficiente), luego producir el hidrógeno con la electrólisis (con una eficiencia del 70%) y posteriormente licuarlo y transportarlo. Si además lo queremos usar para el transporte necesitamos volver a producir electricidad en una pila de combustible de hidrógeno (con una eficiencia máxima del 60%) y usar esta electricidad para mover un vehículo (con una eficiencia del 85%) además de la resistencia aerodinámica y a la rodadura (con eficiencia del 97%). 

En el mejor de los casos, contando solo las pérdidas de la electrólisis y de una pila de combustible óptima, tenemos un rendimiento del 42%. Pero si sumamos las pérdidas por licuar y el almacenar el hidrógeno y las propias del vehículo eléctrico el rendimiento no supera un 30%3. De hecho, los camiones eléctricos de pila de combustible de hidrógeno son muy ineficientes, tienen una aceleración muy baja por lo que comúnmente tienen un segundo sistema de propulsión con batería, lo que los hace unos 10 veces más caros que un camión diésel equivalente.4 

Los problemas del transporte de hidrógeno 

Al ser la molécula más pequeña del universo, el hidrógeno tiende a escaparse de cualquier contenedor. Además, es altamente corrosivo y fragiliza los metales. Para poderse utilizar en un vehículo, se necesita almacenarlo como un líquido criogénico o como un gas altamente comprimido. En cualquier caso, existen serios problemas provocados por la baja densidad del hidrógeno. Por ejemplo, si lo transportamos como gas comprimido necesitamos un tanque de acero a prueba de choques que pesaría aproximadamente 1,300 kg – casi lo mismo que un automóvil utilitario – lo que aumentaría drásticamente el consumo de combustible del vehículo. Si en lugar de acero, se emplea un tanque envuelto en fibra de carbono liviana para reducir el peso, el automóvil se convertiría en una bomba explosiva mortal en caso de accidente.1 Asimismo, si se substituye por hidrógeno licuado a -253ºC se necesitaría un tanque de un volumen de 180 litros (con forma esférica o cilíndrica) que de todas formas pesa casi 100 kg para solo 4 kg de hidrógeno con un rendimiento de unos 400 km3. Por todo lo anterior, el hidrógeno no soluciona el problema de volumen y peso de las baterías de un coche eléctrico ya que, si bien la densidad energética del combustible es mayor que la de las baterías, el peso y volumen del depósito es mucho mayor y apenas compensa la diferencia. 

Por otro lado, el transporte de hidrógeno del sitio de producción a la estación de distribución necesita tuberías de acero especial muy caras, ya que de otra forma estarían corroídas y quebradizas por el hidrógeno. Si en cambio la distribución se hace en un camión cisterna esto puede costar $250,000 dólares, pesando hasta 40 toneladas para entregar solamente 400 kg de combustible, suficiente para 60 automóviles o unos pocos camiones. En la actualidad, un camión diésel puede transportar 37,800 litros de gasolina, suficiente para llenar 800 autos.4 No es sorpresa que hasta los países que más han invertido en la movilidad basada en el hidrógeno siguen teniendo pocas estaciones de servicio: 137 en Japón, 48 en California, 5 en Canadá y sólo 2 en Noruega.

Los problemas ambientales del “hidrógeno verde” 

La producción de hidrógeno verde implica usar 200 veces más agua que la del hidrógeno gris, sin mencionar que el producir hidrógeno a partir de agua dulce compite con la agricultura y el agua potable para uso humano. Idealmente debería producirse a partir de agua de mar. Sin embargo, la electrólisis de agua salada produce sosa cáustica que alcaliniza fuertemente el agua de mar de los alrededores, haciendo la zona inhabitable para organismos marinos, y simultáneamente emite cloro gaseoso, tóxico, a la atmósfera. Además del impacto ambiental esto hace altamente corrosiva el agua lo que implica elevados costos de mantenimiento del electrolizador. Finalmente, el hidrógeno que se produce está contaminado y necesita ser purificado antes de poder utilizarlo en pilas de combustible. Por lo anterior, si se quiere usar el agua de mar sería necesario purificarla, con costos adicionales y más requerimientos de agua y energía, por ejemplo: purificar  18 toneladas de agua impura, resultaría en nueve toneladas de agua aprovechable, que se podrían electrolizar para producir una tonelada de hidrógeno.5 

El otro problema que enfrenta el hidrógeno verde es la enorme cantidad de electricidad que requiere su producción a través de energías renovables. Como he descrito hasta ahora, el hidrógeno verde tiene muy bajo rendimiento energético y altos costos. Sin embargo, este se promueve como un vector para sustituir las funciones que no pueden ser electrificadas y que generan el 27% de las emisiones actuales. Esto corresponde a 2,000 millones de toneladas equivalentes de petróleo por año (Mtep/a) que necesitan sustituirse por 10,000 millones de toneladas de hidrógeno/año (MtH2/a)6. De acuerdo con la Agencia Internacional de Energía2 si toda la producción actual de hidrógeno (69 Mton H2) tuviera que obtenerse con electricidad por electrólisis, este proceso produciría una demanda de electricidad de 3,600 teravatios hora (TWh). Por lo tanto, la electricidad necesaria para obtener 1 MtH2 será de 52,173 TWh sólo para este fin.6 Esto es aproximadamente 2 veces la demanda mundial de electricidad de 2018, en la cual solamente un 26% se generaba a partir de  fuentes renovables. En otras palabras, se necesitaría crecer casi 8 veces la generación renovable tan solo para este propósito. Si además lo queremos hacer con energía solar fotovoltaica se necesitaría aumentar hasta 368 veces la capacidad instalada actual.6 La limitación de espacio, minerales críticos y capacidad industrial hacen de esto una tarea casi imposible, además de implicar altísimos costos ambientales. 

Conclusiones

El caso del hidrógeno, es muy similar al de las fuentes renovables intermitentes: cuando nos damos a la tarea de estimar los requerimientos de materiales y energía necesarios para sustituir los combustibles fósiles, nos topamos con los límites físicos y ambientales del planeta. ¿Por qué impulsar el hidrógeno verde a la vista de sus enormes limitaciones técnicas y económicas? Como en los otros casos que aparecen en este capítulo, la apuesta por tecnologías milagrosas permite justificar ante la opinión pública que se está avanzando en la “transición energética” y hacia la descarbonización de las economías. Pero este es un discurso tendencioso, puesto que la transición al hidrógeno oculta que en los países en donde se está proponiendo se están alcanzando los límites de penetración de las fuentes renovables en la matriz de generación eléctrica, que no hay maneras viables de compensar la intermitencia sin depender del uso de  combustibles fósiles y que la electrificación es mucho más costosa de lo que se declara. El impulso al hidrógeno es además una manera de subsidiar con dinero público a grandes empresas (Por ejemplo, en Europa a Siemens y Gamesa entre otras), para estimular un desarrollo que no tiene mucho futuro pero que permite estirar un poco más el crecimiento de la economía como lo conocemos. La “fiebre del hidrógeno” que atraviesa Europa es una enfermedad más producto de la obstinación de seguir con el mismo sistema económico basado en el crecimiento continuo, que claramente ha llegado a su fin.


Referencias

  1. Robert Zubrin, 2007. The Hydrogen Hoax. The New Atlantis. Consultado el 13-12-21.
  2. AIE, 2019. The Future of Hydrogen – Analysis – IEA. Consultado el 13-12-21.
  3. La fiebre del Hidrógeno 2.0. The Oil Crash: La Fiebre del Hidrógeno 2.0 (I). Consultado el 13-12-21.
  4. Ver. Heavy-duty hydrogen fuel cell trucks a waste of energy and money. https://energyskeptic.com/2020/heavy-duty-hydrogen-fuel-cell-trucks-reduce-emissions-but-are-a-waste-of-energy-and-far-from-commercial/. Consultado el 13-12-21.
  5. Friedemann, Alice, J. (2021). Life after Fossil Fuels: 81 (Lecture Notes in Energy). Springer International Publishing. 
  6. Prieto Pedro, (2021). Informe: Descarbonización 100% con 100% renovables. Revista 15-15-15. Consultado el 13-12-21.

Luca Ferrari, investigador Titular C en el Centro de Geociencias UNAM, campus Juriquilla. Es Investigador Nacional Nivel III, miembro de la Academia Mexicana de Ciencias y Fellow de la Geological Society of America. Su tema principal de investigación es la geología regional, tectónica y geodinámica de México con aplicaciones para la exploración de recursos geotérmicos y mineros. Desde 2005 se ha dedicado también al análisis del sistema energético nacional y global y las implicaciones para el futuro de la civilización y la sustentabilidad.

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Beatriz
2021-11-29 20:50:34

Qué buen artículo, muy ameno. Felicidades al autor.


Mónica Licea
2021-11-24 17:29:08

Gracias, la introducción y explicación son muy amigables para quienes comenzamos este camino. Hablar de otras soluciones para otros mundos posibles es esperanzador