El hidrógeno verde ¿eterna promesa? o ¿la clave de la transición energética?

El hidrógeno verde o renovable está considerado actualmente como una las tecnologías llamadas a liderar la transición limpia. Ello se debe principalmente a su versatilidad pues puede emplearse como combustible limpio, como materia prima para la industria pesada, en los hogares y como sistema de almacenamiento de energía. Tiene un importante potencial como herramienta de descarbonización, ya que permite descarbonizar sectores difíciles de abatir como el transporte, la industria o los edificios. Sin embargo, el hidrógeno no es una tecnología nueva, su uso se remonta a más de un siglo, y aunque no ha terminado de explotar, parece que ahora sí estamos en un momento disruptivo para esta tecnología.

El hidrógeno verde o renovable se ha colado en el debate energético y ya se habla de él como una de las alternativas llamadas a liderar la transición limpia. Ello se debe principalmente a su versatilidad pues puede emplearse para producir electricidad, calor, y combustibles sintéticos además de otros productos químicos; sustituyendo al gas natural como combustible sin emitir ningún contaminante, tan solo agua. También puede emplearse para almacenar energía a gran escala durante largos períodos de tiempo y es una interesante herramienta de descarbonización, ya que permite descarbonizar no solo el suministro de energía, sino otros sectores más difíciles de abatir como el transporte (especialmente el transporte pesado a largas distancias), la industria o los edificios.

Otra de las razones que apoyan su enorme potencial es que puede almacenarse tanto en estado gaseoso (en recipientes a presión), en estado líquido (ya sea a temperaturas criogénicas o en forma de portadores líquidos orgánicos, LOHC, o de amoníaco) y en estado sólido (en forma de hidruros sólidos o en materiales porosos), e incluso en cavernas de sal. Además, con ciertas adaptaciones, puede distribuirse a través de la infraestructura de gas natural existente.

El gran problema estriba en que a pesar de ser el elemento más abundante de la Tierra, no se encuentra de forma aislada, por lo que es imprescindible producirlo, tarea que no es ni fácil, ni barata, ni limpia dependiendo del método de obtención. Y de hecho, en la actualidad, la producción de hidrógeno verde podría considerarse testimonial, en 2021, según la Agencia Internacional de la Energía (AIE), apenas se produjeron 0,6 Mt, menos del 1% de la producción mundial de hidrógeno.

Así las cosas, el hidrógeno bien podría considerarse la eterna promesa. Pensemos, por ejemplo, que el desarrollo de los electrolizadores tiene prácticamente un siglo de historia, y a pesar de ello, las tres tecnologías existentes, electrólisis de agua alcalina, electrólisis con membrana polimérica y electrólisis de óxido sólido de alta temperatura, siguen adoleciendo de problemas como el coste, la eficiencia y su escasa dinámica de arranque y parada, lo que dificulta su acoplamiento con fuentes renovables.

Y sin embargo, hay importantes razones para pensar que ahora sí, estamos ante la apuesta definitiva, el apoyo de los gobiernos en forma del lanzamiento de hojas de ruta y de objetivos, véase el caso de España o de la propia UE, que en su plan REPowerEU incluye ambicioso objetivos tanto para la producción doméstica (10 Mt) como para la importación (10 Mt) de hidrógeno verde hasta 2030; o el constante anuncio de proyectos relacionados con el hidrógeno verde, son algunas de las razones que invitan a pensar en positivo.

El coste de las tecnologías de producción

Si nos atenemos al hidrógeno verde, obtenido por electrólisis del agua, una de las principales barreras para su implantación generalizada es el coste. Los dos principales impulsores de este coste son, por un lado, el de la electricidad renovable y por otro el coste de los electrolizadores. De ambos conceptos se calcula que el precio de la electricidad representa en torno a un 60% del coste del hidrógeno verde.

Según estimaciones del Departamento de Energía de EE.UU., el coste de producción del hidrógeno debería situarse en menos de 2 $/kg para ser competitivo en cualquiera de sus aplicaciones. Una cifra aún lejana pues según estimaciones de la AIE en 2019 el precio de este vector energético se situaba entre 3,5-5 $/kg.

Asumiendo que el coste de las energías renovables seguirá reduciéndose tal y como ha venido sucediendo, la reducción del coste del hidrógeno verde pasa necesariamente por la reducción del coste de los electrolizadores, lo cual es más complicado. De acuerdo con el centro de investigación CIC Energigune entre el 5 y el 10% del coste del electrolizador depende actualmente de la volatilidad de los precios del catalizador (Pt, Ir, Ni, Co, Ru) y, por tanto, depende de la disponibilidad de estos metales, algunos de ellos metales raros, de las fluctuaciones de la oferta/demanda y de factores geopolíticos. Especialmente preocupante es el iridio, cuya producción anual es de apenas unas pocas toneladas.

Por tanto, reducir la dependencia de estos materiales críticos permitiría generalizar el uso de la tecnología; superar esta barrera implica el desarrollo de catalizadores para electrolizadores basados en materiales más abundantes en la Tierra.

El desarrollo de economías de escala, que por la vía del aumento de la producción permitan reducir el coste por kg, la mejora de la eficiencia del proceso de electrólisis (reduciendo las pérdidas de energía) o la adaptación de las tecnologías de generación de electricidad renovable a la producción de hidrógeno, también aportarán su parte en esta carrera.

Un estudio publicado a finales de 2021 por S&P Global Ratings plantea que el coste del hidrógeno puede sufrir una importante reducción para 2030, teniendo en cuenta tres factores. El primero es la reducción del LCOE de la electricidad renovables, de acuerdo con el estudio una caída de 10 $/MWh podría reducir el coste del hidrógeno es unos 0,4-0,5 $/kg. El segundo se refiere a los costes de los electrolizadores, en tanto que una reducción en el entorno de 250 $/kW, en el coste de capital del electrolizador generaría una reducción del coste del hidrógeno verde en 0,3-0,4 $/kg. Finalmente, un aumento del 40-50% del factor de capacidad implicaría nuevamente una caída del precio del hidrógeno de 0,2-0,3 $/kg.

El reto del almacenamiento y la distribución

El hidrógeno también se enfrenta a barreras cuando se trata de su almacenamiento y distribución.

Si bien el hidrógeno es más estable en condiciones atmosféricas normales, debido a su baja densidad, para poder almacenarlo en estados gaseoso en grandes cantidades se debe presurizar, por lo que es necesario disponer de contenedores capaces de manejar una elevada presión en su interior. Por su parte, almacenar hidrógeno en estado líquido añade al requisito de la presión el de la temperatura, pues en este caso el hidrógeno debe mantenerse a temperaturas criogénicas. En ambos casos nos enfrentamos a técnicas complicadas y de coste elevado.

La falta de una red de distribución de hidrógeno, que permita llevarlo a hogares, industrias, estaciones de servicio, etc., provoca incertidumbre y hace que los costes sean elevados. En el caso de las estaciones de servicio, esta barrera se está derribando mediante la construcción de hidrogeneras, instalaciones en las que no solo se dispensa hidrógeno, sino que éste se genera in situ en la propia hidrogenera.

Superar esta barrera de la distribución del hidrógeno, consiguiendo que éste sea tan omnipresente como el gas natural pasa por mejorar y adaptar las infraestructuras de gas natural, así como por la construcción de nuevas infraestructuras de transporte, lo que solo será posible mediante la planificación coordinada entre las diferentes partes interesadas. Superada esta barrera el hidrógeno ofrece una importante ventaja, dado que puede fluir hasta 3 veces más rápido que el metano, lo que hace que sea una opción rentable para el transporte a gran escala.

En Europa ya se están desarrollando algunas iniciativas importantes para el desarrollo de la infraestructura de transporte asociada al hidrógeno. Una de las más importantes es la European Hydrogen Backbone (EHB), que tiene como objetivo acelerar el viaje de descarbonización de Europa al definir el papel fundamental de la infraestructura de hidrógeno, basada en tuberías nuevas y existentes, para permitir el desarrollo de un mercado de hidrógeno competitivo, líquido, paneuropeo, renovable y bajo en carbono. El objetivo de la iniciativa es alcanzar en 2040 una red de 53.000 km en 28 países europeos, utilizando mayoritariamente tuberías reutilizadas, 60%, frente a un 40% de tuberías nuevas. Esto requeriría una inversión estimada de entre 80 y 143 b€.

La visión acelerada de la EHB muestra que para 2030, podrían surgir cinco corredores paneuropeos de suministro e importación de hidrógeno con casi 28.000 km de tuberías, conectando grupos industriales, puertos y valles de hidrógeno con regiones de abundante demanda, y sentando las bases para un futuro suministro de hidrógeno a gran escala. La visión de EHB es un vehículo adecuado a través del cual se podría hacer realidad la ambición de la UE para 2030 de promover el desarrollo de un mercado europeo de hidrógeno renovable y bajo en carbono de 20,6 Mt.

Y además, podría transportarse a un coste competitivo. De acuerdo con la EHB transportar hidrógeno a través de esta infraestructura terrestre a lo largo de una distancia de 1.000 km puede realizarse a un coste de entre 0,11-0,21 €/kg de hidrógeno, haciendo de esta solución la más opción más económica para su transporte a gran escala y distancia. En el caso del hidrógeno transportado por tuberías submarinas, el coste está estimado entre 0,17-0,32 €/kg por cada 1.000 km.

La eficiencia de los coches de pila de combustible

La pila de combustible es la tecnología más prometedora para la producción de energía ya sea estacionaria, o para propulsar vehículos. Las pilas PEMFC tienen ciertas ventajas como: capacidad de operación a baja temperatura, alta densidad de corriente y potencia, flexibilidad; y el hecho de ser un medio compacto para la generación de energía, para las pilas SOFC sus altas eficiencia y densidad suponen dos grandes fortalezas que las posicionan como alternativa de futuro.

Ambas tecnologías pueden permitir el desarrollo de vehículos cero emisiones, de gran autonomía (se calcula que 1 kg de hidrógeno permite recorrer 100 km) y repostaje rápido (importante ventaja frente al vehículo eléctrico). Por otro lado, a la ya conocida barrera del coste de las pilas de combustible, se unen en este caso otras dos barreras a superar, la de la seguridad, por las altas temperaturas de operación que se alcanzan y la de la eficiencia. En este último caso, el vehículo de hidrógeno pierde claramente frente a otras alternativas cero emisiones, como es el caso del vehículo eléctrico. De hecho, un estudio de Transport & Environment, arroja que actualmente la eficiencia de los vehículos eléctricos es casi un 50% mayor que la de los coches de pila de combustible. Es decir, con la energía primaria necesaria para mover un vehículo de hidrógeno se podrían propulsar más de 2 coches eléctricos.

Conclusiones

En cualquier caso, todo lo planteado nos permite observar que el desarrollo de economías de escala, que garanticen volumen, eficiencia y rentabilidad en el desarrollo de tecnologías e infraestructuras del hidrógeno, juega un papel primordial para lograr superar las barreras a las que se enfrenta esta industria.