Hidrógeno, el futuro de la energía

La Administración poniendo fecha de caducidad a los combustibles fósiles. Fuentes de energía obsoletas, peligrosas y contaminantes. Problemas de salud por la contaminación. Prohibiciones a la libre circulación de cualquier vehículo de combustión en el centro de las grandes ciudades. El cambio climático. Son tantas las noticias que nos llegan y tan drásticos los cambios que se plantean para el futuro próximo que surgen algunas preguntas: ¿qué alternativas energéticas tenemos?, ¿son comercialmente viables?, ¿son sostenibles?, ¿se necesitarán muchos años para implementarlas? ¿Deberemos cambiar nuestros hábitos de consumo? Óscar Fernández Isla, jefe de ventas de Large Drives de Siemens España, nos cuenta más sobre este tema.

En esta búsqueda de alternativas a las fuentes de energía clásicas nos encontramos con el impulso que los distintos gobiernos están dando al aprovechamiento de las energías renovables tales como la eólica y la solar, que junto con la tan deseada fusión nuclear podrían ser los pilares de la cuarta revolución industrial, así como el carbón fue de la primera, el petróleo de la segunda y la fisión nuclear de la tercera.

Mientras se sigue investigando la fusión, centrémonos en las tecnologías ya maduras solar y eólica. Estas tecnologías tienen aún recorrido de implantación, aumentando su base instalada y con ello un problema a resolver, el del almacenaje masivo de energía. El viento y el sol no tienen por qué soplar o lucir según la demanda eléctrica de los consumidores, por ello si como hemos dicho aumentamos la base instalada, lo normal es que nos encontremos con grandes cantidades de energía que deberán ser almacenadas para su uso posterior.

Gran versatilidad

Por desgracia, los saltos de agua no son una alternativa universal aplicable a cualquier lugar y los sistemas de aire comprimido tampoco están hoy en día en una fase de desarrollo importante que pudiera hacer pensar en ellos como una alternativa. Por tanto, el hidrógeno y los derivados químicos como amoniaco, metanol y otros surgen como una solución real al problema del almacenaje de grandes cantidades de energía a un coste aceptable y con gran versatilidad, siendo particularmente el hidrógeno un vector energético de primera magnitud.

¿Por qué el hidrógeno? Lo primero es indicar que actualmente se producen en el mundo más de 45 millones de toneladas, de las cuales más del 90% son para uso industrial, ya sea para producción de amoniaco, en las refinerías, alimentación o incluso fabricación de vidrio. Es por tanto una commodity, una mercancía que adicionalmente sirve como combustible ya sea mediante pilas de combustible, motores o turbinas de gas. Por último, se puede transportar y almacenar a un coste bajo, ya sea como hidrógeno comprimido o combinado en otras moléculas como la del amoniaco.

Entonces, ¿cómo podemos conseguir ese hidrógeno? El 95% del hidrógeno producido en la actualidad se obtiene a través del reformado con vapor y gasificación de carbón. Aunque son formas baratas de obtener hidrógeno, no eliminamos el problema de la contaminación. En el reformado con vapor rompemos los hidrocarburos mediante energía térmica y vapor de agua, pero necesitamos un combustible fósil primario y se emite CO2. La gasificación de carbón produce más CO2 que la quema del propio carbón.

Formas de obtener hidrógeno

Si queremos un hidrógeno “verde”, que por un lado nos ayude a la optimización de las tecnologías de producción eléctrica renovable, a la vez pueda servir como combustible, ser también un consumible industrial, y todo ello de forma masiva y barata, nos queda la electrólisis como solución.

La electrólisis no es más que la ruptura de la molécula del agua mediante energía eléctrica. Es un proceso industrial bien conocido que genera un hidrógeno de alta pureza. Hoy en día disponemos de dos técnicas de electrólisis de forma industrial, la alcalina y la PEM, membrana de intercambio de protones por sus siglas en inglés (Proton Exchange Membrane ).

La electrólisis PEM consiste en una membrana, que es el electrolito, y unos electrodos que se colocan a ambos lados de dicha membrana, actuando la membrana como separador evitando que se mezclen los productos del gas.

Cada una de estas dos técnicas tiene sus ventajas e inconvenientes, pero para trabajar con renovables la electrólisis PEM tiene superioridad frente a la alcalina, básicamente por su operación altamente dinámica, su diseño compacto, pequeña huella, capacidad de arranque sencillo en frío, operación a alta presión con un menor coste de compresión posterior, rapidez en la gestión de cambio de cargas, gran estabilidad y baja degradación.

Electrólisis

Existen en el mercado varias compañías con electrolizadores PEM en el rango del MW y un par con producto en el rango de los 10 MW, estando en el horizonte próximo los electrolizadores de 100 MW. Podemos decir por tanto que es una tecnología que ha dado el salto al uso industrial, disponible para producir hidrógeno puro de forma intensiva y a un coste ajustado que permite que sea rentable para consumo industrial con precios reducidos de la electricidad en el rango del MW y que en cuanto se aplique la economía de escala será rentable incluso con precios de mercado de la electricidad. En cuanto al uso como combustible de movilidad, ya es hoy en día rentable el hidrógeno obtenido con electrólisis PEM.

Pero ¿cómo son estas plantas de producción de hidrógeno?, ¿ocupan mucho?, ¿son complejas, peligrosas de operar, costosas, de corta vida? Todo lo contrario. Vayamos por partes.

Una planta de electrólisis se compone de una conexión a la red de alta tensión, una unidad de transformación-rectificación para poder alimentar a los equipos a la tensión correcta, un sistema de purificación de agua (la calidad debe ser < 1µS/cm), el electrolizador, una unidad DeOxo para purificar aún más si cabe el Hidrógeno (99,95%  99,99999%) y finalmente aquellos equipos que se necesiten para el uso que se requiera del hidrógeno. Hablamos de compresores iónicos para comprimir el hidrógeno, tanques de almacenaje, sistema de inyección a la red de gas o suministro a hidrogeneras. Todo con equipos modulares industriales y sin apenas obra civil.

El corazón es sin duda el electrolizador. Dicho equipo se compone a su vez de un Stack (compuesto por la unión de varias celdas de electrólisis), un sistema de proceso (bombas, válvulas, separadores de gas, intercambiadores de calor, etc.), un sistema de control, un bloque de fuerza y la refrigeración.

Competitivo en aplicaciones industriales

Este tipo de plantas pueden ser desatendidas y con un mantenimiento apenas despreciable comparado con su coste de adquisición, por lo que prácticamente a la hora de invertir en una planta de este tipo consideraremos sólo el CAPEX. En el rango del MW como hemos comentado anteriormente, el coste del hidrógeno es a día de hoy competitivo para aplicaciones industriales en caso de costes muy baratos de la electricidad y rentable para uso en movilidad.

A su vez, el rendimiento de una planta de estas características es alto. El de las membranas está en torno al 67-75% dependiendo del tipo y, junto a las pérdidas del resto de sistemas asociados (bombas, etc.), hace que el rendimiento total del conjunto se vaya al 55-65%, teniendo ya el H2 precomprimido. Pudieran parecer valores bajos comparados con el de baterías, pero ya hemos indicado que esta tecnología está pensada para almacenar grandes cantidades de energía durante largo tiempo, dar salida industrial al hidrógeno producido o transportar grandes cantidades de energía de forma barata. En cualquier caso, el rendimiento del ciclo completo incluyendo los vehículos es mayor que el de los combustibles fósiles.

Respecto al transporte de la energía en forma de gas del que no habíamos hablado hasta ahora, conviene indicar que las instalaciones más grandes de energía renovables suelen ser eólicas off-shore y la energía allí producida no tiene por qué consumirse obligatoriamente en la costa. La comparativa entre un tendido eléctrico y una tubería de gas no deja lugar a dudas. Si quisiéramos transportar energía 100 km el coste sería de unos 200 €/kW para el tendido y de 10 €/kW para la tubería, 20 veces más barato.

Existen plantas con electrolizadores PEM comerciales operando que sirven de banco de ensayo para esta tecnología, como la Energiepark-Mainz, donde se ha llegado a un acuerdo con un parque eólico cercano para comprar la energía en sus horas valle, o los picos que no puedan vender en el mercado eléctrico, de manera que se amortigua el impacto del coste de la electricidad en la producción de hidrógeno y la planta ayuda a estabilizar el suministro a la red del parque eólico.

Con esta electricidad se produce hidrógeno mediante tres Silyzer 200 de Siemens de 1,25 MW cada uno, mientras que dicho hidrógeno se inyecta en la red de gas de la ciudad, se almacena en tanques y también se distribuye en camiones a empresas de la región con necesidades de hidrógeno. La planta es desatendida y se supervisa toda la operativa desde un centro de control en Leuna, a 400 km de distancia. Esta planta se puede visitar para ver sobre el terreno como funciona una instalación de este tipo.

¿Cambiarán nuestros hábitos de consumo?

Ya hemos respondido algunas de las preguntas que nos hacíamos al principio. Hemos visto cómo existen alternativas energéticas comerciales, además son sostenibles ya que no producen residuos, la huella ecológica es prácticamente nula, no es contaminante, el coste no es excesivo, es escalable y sólo necesitamos electricidad y agua (en pequeña cantidad) para conseguir nuestro Hidrógeno. Queda por tanto responder a las preguntas sobre si serán necesarios muchos años para implementarlas y si cambiarán nuestros hábitos de consumo.

La tecnología ya está lista para desplegarse. Lo ideal sería poder usar el hidrógeno así producido en movilidad, ya que es más rentable y aceleraría el proceso de economía de escala. Para esto sería de agradecer el impulso de las administraciones apostando por vehículos limpios que usaran hidrógeno como combustible. Ya existen coches, autobuses, camiones, trenes y pequeños vehículos industriales como carretillas.

Desde el punto de vista del usuario, el hidrógeno tiene una operación similar al vehículo convencional de combustible fósil. Se reposta en cuatro minutos y la autonomía y coste por kilómetro recorrido es similar. Esto es una ventaja frente a los vehículos con batería, la cual pesa mucho, se degrada, tiene ciclos de carga y necesita mucho más tiempo de recarga para menor autonomía. Por no hablar del reciclaje posterior de esas baterías contaminantes.

Las empresas gasistas están por su parte estudiando la viabilidad de inyectar hidrógeno en las tuberías de Gas Natural para potenciar este gas y aumentar así la eficiencia del sistema energético.

Si a todo esto añadimos la posibilidad de una independencia energética respecto de los países productores de combustibles fósiles, un conocimiento exacto del coste de los combustibles para las cuentas nacionales anuales y unas ciudades sin ruido de vehículos y libres de contaminación, la apuesta por el hidrógeno parece lógica.

¿Cómo podemos almacenar grandes cantidades de energía?

Hoy por hoy disponemos de diversas alternativas dependiendo de la cantidad de energía a almacenar y el tiempo que queramos tener almacenada dicha energía. Supercapacitores, imanes superconductivos, masas inerciales, baterías, bombeo de agua en altura y compuestos químicos son algunos ejemplos.

Actualmente el mundo de las baterías es válido para rangos de hasta 10 MW y uso relativamente corto con respecto al momento en que se ha almacenado la energía. Si pretendemos almacenar energía por encima de los 10 MW durante largo tiempo, la única forma económica sería mediante sistemas de aire comprimido, saltos de agua o transformación química.