Análisis de la coyuntura de la industria del hidrógeno y su futuro

En el siguiente artículo, Marcos Rupérez nos acerca al porqué del reciente interés y aparente surgimiento de un subsector energético relacionado con el gas hidrógeno. Para ello, plantea aproximarnos a los problemas actuales del sector energético y de la sociedad desde una perspectiva no habitual o, al menos, más compleja de la que los medios de comunicación solemos mostrar habitualmente. 

En las primeras líneas de este informe se va a realizar una revisión del sector energético mundial aportando la perspectiva y visión que nos conducirá a la necesidad del hidrógeno como un actor con ciertas funciones dentro del complejo e interconectado sector energético hacia el que caminamos como sociedad.

El principal método para producción de hidrógeno sin emisiones de CO2 es la electrólisis 

La mayor parte de la población asocia al proceso de la transición energética la sustitución de las fuentes de energía fósiles tradicionales (chimeneas emitiendo humo de fósiles) por paneles solares fotovoltaicos, generadores eólicos y turbinas hidroeléctricas. Ello implicaría únicamente un cambio de centrales eléctricas de energía primaria fósil por fuentes eléctricas no emisoras de CO2 a la atmósfera. Sin embargo, esa es solo una pequeña parte de la transición necesaria, ya que la realidad es muchísimo más compleja que sustituir unas fuentes de energía eléctrica por otras. 

Habitualmente se asocian las energías renovables a energías renovables eléctricas como fotovoltaica, eólica e hidroeléctrica, pero existen muchas otras como biomasa, biocombustibles, residuos (‘Waste to power’) no eléctricas que complican la ecuación. Además, se suele cometer el error de considerar la hidroeléctrica como energía renovable cuando solo lo es cuando es de reducido tamaño, ya que los grandes pantanos tienen una vida útil limitada al colmatarse. 

Por otro lado, también se suele cometer el error de excluir de las fuentes no emisoras de CO2 a la nuclear, que no siendo renovable sí es de bajas emisiones de CO2. 

Pero uno de los mayores malentendidos en esta transición es confundir energía primaria con energía eléctrica; de ahí nace la simplificación de que instalar fotovoltaica y eólicas puede solucionar el problema aportando electricidad a la red sin emitir CO2.

Para resolver este error de concepto hay que entender que la energía primaria de una sociedad es toda la energía que consume, independientemente de su origen, y que la transición energética se postula como el proceso que acabará con las emisiones de CO2 en todos los sectores, no solo en el eléctrico. 

El 80% de la energía que consumimos no es eléctrica y, por tanto, una transición energética simplificada a un mero cambio de fuentes de generación eléctrica fósiles por fotovoltaica y eólica en el mejor de los casos lograría una red eléctrica 100% renovable, pero seguiríamos con un 80% de energía primaria no renovable y emisora de CO2.

Los electrolizadores son el equipo vertebrador central de la economía del hidrógeno

Además, ni siquiera es posible una red eléctrica 100% renovable únicamente insertando nuevas fuentes renovables, ya que estas fuentes son intermitentes. Además de las fuentes de energía, hacen falta sistemas de gestión y almacenamiento de la energía que acoplen la oferta eléctrica con la demanda, los cuales aún están por implementar. 

Y nos preguntamos entonces: ¿en qué se consume ese 80% de energía primaria que no es eléctrica? Si atendemos a los datos de España, veremos que 2/3 de la energía primaria se consume en industria y transporte. Y de esos usos la totalidad del transporte y al menos 2/3 de la industria no son consumos eléctricos sino fósiles directos, principalmente petróleo, gas natural y algo de carbón.

Por último, y no menos importante, cabe recordar que, además del cambio climático actualmente en Europa y en el mundo, existe una carestía de combustibles fósiles que nos fuerza en la misma dirección: buscar formas alternativas. 

Uno de los principales retos es lograr descarbonizar ese 80% de consumos primarios de energía fósil no eléctrica actualmente, partiendo de las energías renovables más prometedoras que son en su mayoría eléctricas (solar y eólica principalmente). 

Cómo se produce el hidrógeno hoy

En este apartado nos vamos a centrar en cuáles son los usos finales que se le da a esa gran cantidad de hidrógeno, por ser el principal mercado actual existente y que va a vivir un cambio disruptivo en su forma de generación. 

El precio del hidrógeno ‘verde’ es altamente dependiente del coste de la energía eléctrica renovable disponible

Refinerías. El uso más tradicional del hidrógeno es dentro de las propias refinerías de petróleo como gas de proceso para ser combinado con diferentes insumos hidrogenándolos (añadiendo hidrógeno a su molécula), logrando así modificar las propiedades o convertir en otros combustibles los productos petrolíferos finales. 

Este hidrógeno es habitualmente generado en la propia planta partiendo de gas natural o el propio crudo y recombinado con otros flujos in situ. Las refinerías de todo el mundo utilizan anualmente 40 Mt H2, el 44% de todo el consumo mundial.

Amoniaco para fertilizantes. Los fertilizantes para agricultura se clasifican en tres grandes grupos: base potasio, fosforados y nitrogenados. Los fertilizantes nitrogenados son el grupo más numeroso e importante y para la generación de todos ellos se utiliza la molécula del amoniaco (NH3).

Esta industria es el principal foco de la gran masa de proyectos de hidrógeno existentes en el mundo, ya que es una necesidad que va a seguir existiendo (alimentaria) que además es claro el camino hacia su descarbonización. Y este es dejar de utilizar gas natural para generar dicho hidrógeno y cambiar ese insumo por hidrógeno electrolítico generado por energías renovables. Existen multitud de grandes proyectos de hidrógeno libre de emisiones en esta industria.

Uno de los principales retos es lograr descarbonizar el 80% de consumos primarios de energía fósil no eléctrica 

Metanol. El metanol es otro gran desconocido a nivel popular ya que, al igual que el amoniaco, es una molécula parte interna de muchos procesos, en este caso de la industria química. Es el bloque básico con el que se sintetizan muchos plásticos, pinturas, resinas, adhesivos…  Su fórmula es CH3OH y se sintetiza haciendo reaccionar hidrógeno con CO2. 
Actualmente tanto el CO2 como el hidrógeno se obtienen conjuntamente del gas natural y se emite una gran parte del CO2 sobrante en el proceso. Aproximadamente 11 Mt de hidrógeno son utilizadas anualmente en el mundo para fabricar metanol, lo cual en 2021 supuso aproximadamente un 12% de todo el consumo mundial de hidrógeno.

Usos metalúrgicos y otros usos. Los 5 Mt de hidrógeno de consumo anual restantes se consumen principalmente en procesos de reducción de mineral de hierro, en procesos de reducción directa o DRI (direct reduction iron ore).

En la actualidad existen multitud de proyectos de todas las empresas siderúrgicas del mundo sobre descarbonización de procesos de reducción directa de hierro mediante el uso de hidrógeno electrolítico proveniente de energías renovables. 

Cómo se produce el hidrógeno sin emitir CO2

La práctica totalidad del hidrógeno consumido actualmente en el mundo se genera consumiendo combustibles fósiles y emitiendo CO2 en el proceso. No obstante, si el hidrógeno es una tecnología de actualidad es porque puede producirse sin emisiones de CO2, tanto para sustituir la actual producción como para ser utilizado en nuevos usos.

El principal método para producción de hidrógeno sin emisiones de CO2 es la electrólisis, la cual consiste en la rotura de la molécula de agua en sus componentes básicos, hidrógeno y oxígeno. Dicha rotura es impulsada por aporte de energía eléctrica. Las emisiones de CO2 solo son bajas en el caso de que la electricidad utilizada en la electrólisis haya sigo generada por fuentes no emisoras de CO2. Aunque a día de hoy solo el 0,03% de la producción de hidrógeno mundial proviene de electrólisis, todos los organismos internacionales planean que esta sea la tecnología más instalada en el futuro. 

Una forma alternativa de producir hidrógeno sin emitir CO2 es utilizar gas metano que ha sido producido por gasificación de residuos o biomasa y, por tanto, sin emitir CO2 neto, y partiendo de ese gas generar hidrógeno por reformado de manera similar que con el gas natural. En este caso se producen emisiones de CO2 en el reformado, pero se consideran compensadas con las absorbidas por las plantas en la generación de la biomasa o ahorradas de la emisión asociadas a la putrefacción del residuo.

Colores de hidrógeno, certificado y garantías

Dado que existen muchas formas de fabricar hidrógeno, y ante la perspectiva de un alto crecimiento de los consumos y usos de hidrógeno en nuestra sociedad, se ha planteado clasificar el hidrógeno según su origen para poder así evaluar la sostenibilidad del mismo. A nivel conceptual se ha definido un código de colores mediante el cual se clasifican los orígenes del hidrógeno. 

El hidrógeno que proviene de fuentes renovables bien sea por electrólisis o por gasificación de materia orgánica es considerado con la etiqueta ‘Verde’. Y es este el que motiva la actual expectativa y crecimiento del sector, ya que todo lo planteado en este informe es respectivo al hidrógeno de esta clasificación. Existen actualmente intensos debates sobre donde está el límite de lo que es considerado o no hidrógeno verde en función de la proximidad geográfica y temporal de la fuente de generación de energía renovable y el electrolizador que produce el hidrógeno. Cabe remarcar que la mayor parte del hidrógeno consumido actualmente es clasificado como gris o negro en función de si su origen es gas natural o carbón.

Del gris al verde

La sociedad global se enfrenta al reto de dejar de depender de los combustibles fósiles y emitir CO2, el cambio climático se plantea como uno de los grandes retos de la humanidad. Pero las principales energías renovables generan energía eléctrica, y solo el 20% del consumo energético mundial es eléctrico. Por lo que para descarbonizar el otro 80% se requiere de tecnologías que electrifiquen la economía, transmitiendo energía eléctrica renovable para ser utilizada en usos que tradicionalmente utilizan combustibles fósiles directamente. 

El hidrógeno, dada su alta densidad energética, y su condición de gas combustible, se postula como un candidato teóricamente idóneo para muchas de las aplicaciones a electrificar. Su capacidad de ser generado partiendo de agua y energía eléctrica le permite realizar la función de transmisor de energía renovable del sector eléctrico a otros muchos sectores que requieren un combustible químico más versátil que la electricidad.

Los electrolizadores son el equipo vertebrador central de la economía del hidrógeno, por ser el equipo que posibilita la conversión de energía eléctrica en gas renovable hidrógeno. Y actualmente se encuentran en plena implantación mundial y desarrollo industrial.

Todos los organismos internacionales planean que la electrólisis sea la tecnología más instalada en el futuro

El 2% de toda la energía primaria consumida en 2020 fue en forma de hidrógeno, por industrias que requieren específicamente hidrógeno como molécula química en sus procesos, no como combustible. Ese hidrógeno fue utilizado principalmente para la fabricación de amoniaco, compuestos derivados del petróleo, metanol y siderurgia. Son insumos básicos de nuestra sociedad que sostienen industrias de vital importancia como la de los fertilizantes, los plásticos o el acero, entre otras. 

Prácticamente todo el hidrógeno consumido en 2020 fue generado partiendo de combustibles fósiles y emitiendo CO2. Por lo que uno de los primeros retos y más obvios del hidrógeno renovable va a ser convertir esos consumos de hidrógeno gris (de gas natural) en hidrógeno verde (de fuentes renovables), y así lo reflejan los planes mundiales y nacionales. Todo parece indicar que hasta 2030 esta va a ser la actividad central del naciente sector del hidrógeno renovable/verde. Se planean inversiones de carácter global en grandes centros de electrólisis próximos a dichas industrias y asociados a parques eólicos y fotovoltaicos de gran tamaño.

Debido a estos grandes proyectos la actualmente pequeña industria del hidrógeno verde se espera que crezca en órdenes de magnitud en todos sus parámetros. Lo cual se verá reflejado en que sus actuales altos costes de instalación se irán viendo reducidos dadas las economías de escala, de producción de electrolizadores, principalmente. Esta gran inversión se espera que actúe como elemento tractor de la industria, bajando los costes de los electrolizadores y haciendo así la tecnología más viable para otras aplicaciones.

No obstante, el precio del hidrógeno verde es altamente dependiente del coste de la energía eléctrica renovable disponible. Por ello, es complejo dilucidar cuál va a ser su coste los próximos años dada la alta volatilidad actual de los mercados energéticos. Lo que sí se espera es que cada vez sea más competitivo, ya que los costes de inversión van a bajar con casi total seguridad por economías de escala de los electrolizadores. La profundidad del desarrollo de la industria dependerá de los costes disponibles de energía renovable. No obstante, en términos económicos dependerá también de los precios de los combustibles fósiles, ya que el hidrógeno es un sustituto de ellos en muchas aplicaciones y, por tanto, su competencia en términos de mercado. 

Uno de los primeros retos va a ser convertir los consumos de hidrógeno gris (de gas natural) en hidrógeno ‘verde’ (de fuentes renovables)

La situación actual de altos costes energéticos globales, aunque problemática para la sociedad, cataliza una aceleración de la implantación del hidrógeno verde ya que lo hace más competitivo. Los combustibles fósiles están en máximos históricos (sobre todo en Europa), pero la energía eléctrica renovable se mantiene a costes contenidos. Este hecho facilita poder generar hidrógeno a costes inferiores a los de los fósiles en algunas aplicaciones y sustituirlos con rentabilidad. Si bien es cierto que si los precios de la energía fósil tienden a moderarse se perderá esta ventaja competitiva.

La actual tendencia hacia el hidrógeno verde no solo se basa en sustituir los consumos actuales, sino que plantea utilizar el hidrógeno como forma de transporte y uso de energía (vector), como combustible, para muchas aplicaciones hoy todavía no electrificadas.

En el camino de electrificar el 80% de energía primaria, que todavía no se ha electrificado, se va a dar una competencia entre tecnologías sustitutivas de la tecnología fósil vigente en cada aplicación. El hidrógeno se considera una tecnología buena candidata por sus características para algunas de esas aplicaciones, no para todas.

Todas las acciones de inserción de hidrógeno que en nuestra sociedad se plantean pueden llegar a representar incluso el 24% de toda la energía primaria consumida en el mundo, en los escenarios más optimistas para 2050. 

Es por ello que, dado el compromiso de los estados e instituciones supranacionales, el hidrógeno está recibiendo un gran impulso desde el año 2020. Si no se diera este impulso ahora no sería posible alcanzar los objetivos planteados en los planes de las Naciones Unidas para el Net Zero escenario 2050. 

La senda para alcanzar un planeta con cero emisiones netas de CO2 en 2050 ha sido trazada por las Naciones Unidas y corroborada por la mayor parte de los países del mundo. Esta senda incluye un despliegue masivo de tecnologías de hidrógeno en los próximos 30 años. No es seguro si la senda se seguirá, o si será siquiera viable realizarla en plazos o planteamientos, lo que es seguro es que el sector del hidrógeno está en esa senda y está recibiendo un fuerte impulso institucional e inversor para tratar de seguirla. Es difícil conocer cómo de grande o diverso será el sector del hidrógeno dentro de 15 o 20 años, lo que sí es seguro afirmar es que existirá un sector del hidrógeno más grande que el actual y que en los próximos años, al menos se va a intentar desarrollar con ahínco por parte de todas las instituciones. 

Es por eso que ahora es el momento, es la oportunidad, de las tecnologías del hidrógeno de demostrar que son capaces y de que no, y en cinco o diez años quedarán definidas en función de esta experiencia de proyectos piloto cuáles serán las aportaciones útiles de este gas a nuestra sociedad futura.