Cómo se utiliza la energía de hidrógeno en la producción de electricidad

La generación de electricidad utilizando hidrógeno ocurre principalmente mediante dos métodos: celdas de combustible y turbinas de combustión adaptadas para el uso de hidrógeno. La tecnología de celdas de combustible funciona generando energía a través de procesos electroquímicos, y cuando se combina con sistemas de recuperación de calor, puede alcanzar eficiencias del entorno del 60 %. Muchas turbinas de combustión existentes, originalmente construidas para operar con gas natural, ahora pueden manejar mezclas de hidrógeno o incluso hidrógeno puro, lo que brinda a los operadores de la red la flexibilidad necesaria para mantener un suministro eléctrico estable. La producción de hidrógeno verde implica la separación de moléculas de agua mediante fuentes de energía renovable, como la eólica y la solar, a través de un proceso denominado electrólisis. Este hidrógeno verde se almacena hasta que hay una disminución en la disponibilidad de energía renovable, momento en el cual puede convertirse nuevamente en electricidad. Tome el caso de Alemania, donde varias instalaciones eólicas marinas ya están generando hidrógeno verde. Estos proyectos han logrado reducir la dependencia de las plantas de carbón en aproximadamente un 40 % en ciertas áreas de prueba, aunque los resultados varían según las condiciones locales y los detalles de implementación.

Integración del hidrógeno en las redes eléctricas existentes

El hidrógeno ayuda a hacer que las redes eléctricas sean más limpias, manteniendo al mismo tiempo su estabilidad. Cuando hay energía renovable adicional disponible, el hidrógeno la almacena y luego la libera nuevamente cuando la demanda aumenta. Tomemos el caso de Dinamarca: sus proyectos piloto han descubierto que almacenar hidrógeno en cavernas de sal reduce el desperdicio de energía entre un 15 y hasta un 20 por ciento cada año. Estamos viendo surgir estas configuraciones híbridas donde granjas solares funcionan junto con equipos de electrólisis, aunque lograr que todo funcione de manera coordinada requiere un sistema bastante sofisticado de gestión energética, ya que la energía fluye en ambas direcciones a través del sistema. Observemos lo que está haciendo California con su proyecto Renewable Hydrogen Backbone: utilizan hidrógeno para mantener la red estable durante las intensas olas de calor que últimamente alteran tanto el funcionamiento normal.

Estudio de caso: Plantas alimentadas por hidrógeno en Alemania y Japón

El Energiepark Mainz en Alemania combina un electrolizador de 6 megavatios con fuentes de energía eólica para generar alrededor de 200 toneladas de hidrógeno cada año. Esta instalación puede suministrar electricidad a aproximadamente 2.000 hogares durante cortes de energía mediante su sistema de celdas de combustible de 1,4 MW. Al otro lado del Pacífico, Japón ha desarrollado algo aún mayor llamado Fukushima Hydrogen Energy Research Field, o FH2R por sus siglas. Con una capacidad de 10 MW, es la planta de hidrógeno verde más grande del mundo. No solo ayuda a alimentar partes de Tokio, sino que también los investigadores la utilizan para experimentar con el transporte de hidrógeno a través de océanos. Lo que hace destacar a estos proyectos es su impresionante tasa de eficiencia de aproximadamente el 95 %. Logran este alto rendimiento porque ajustan la cantidad de hidrógeno producido según las necesidades reales de la red eléctrica en cada momento.

Desafíos para escalar el hidrógeno como fuente de energía de base

Tres barreras principales limitan el papel del hidrógeno en la generación de energía de base:

• Costo : Los costos de capital de los electrolizadores siguen siendo aproximadamente tres veces más altos que los de las turbinas de gas natural.
• Pérdidas de eficiencia : El proceso de ida y vuelta de convertir electricidad en hidrógeno y luego de regreso resulta en una pérdida energética del 30-35%.
• Infraestructuras : Menos del 15% de los oleoductos globales pueden transportar con seguridad mezclas de hidrógeno superiores al 20%.

Una revisión industrial de 2021 destacó la durabilidad de las celdas de combustible y la fragilización de los oleoductos como prioridades clave de I+D, estimando necesidades de inversión de 1,2 billones de dólares en mejoras de infraestructura para 2040. Aunque el hidrógeno complementa las energías renovables, actualmente no alcanza paridad de costos para su despliegue generalizado en generación básica.

Hidrógeno para Calefacción: Descarbonización de Sistemas Industriales y Residenciales

El papel de la energía de hidrógeno en la descarbonización de los sistemas de calefacción

Alrededor del 40 por ciento de todas las emisiones de CO2 procedentes del consumo energético a nivel mundial provienen del calor, según datos de la AIE del año pasado, razón por la cual muchos expertos consideran que el hidrógeno es un verdadero cambio de paradigma para sustituir los combustibles fósiles tanto en hornos industriales como en calderas domésticas. El hecho de que el hidrógeno se queme a temperaturas que alcanzan casi los 2800 grados Celsius lo hace especialmente adecuado para industrias pesadas como la producción de acero. Algunas pruebas con sistemas micro combinados de celdas de combustible para calor y electricidad también mostraron resultados impresionantes, alcanzando alrededor del 90 por ciento de eficiencia cuando se utilizan en redes de calefacción urbana. Lo interesante es que el hidrógeno funciona bastante bien en aproximadamente el 20 por ciento de los actuales gasoductos sin necesidad de realizar cambios en la infraestructura, algo que podría acelerar significativamente la adopción de esta tecnología en diferentes sectores.

Mezclar hidrógeno con gas natural en gasoductos

La mezcla de hidrógeno en las redes de gas existentes ofrece una vía de transición:

Los ensayos europeos muestran que mezclas del 20% podrían reducir las emisiones en 6 millones de toneladas anuales manteniendo una operación segura. Sin embargo, debido a la menor densidad energética volumétrica del hidrógeno, los caudales deben aumentar entre un 15 y un 25% a niveles más altos de mezcla.

Proyectos piloto en el Reino Unido y los Países Bajos que utilizan hidrógeno para calefacción doméstica

El programa HyDeploy en el Reino Unido logró inyectar hidrógeno en el suministro de gas para aproximadamente 300 hogares en una proporción del 20%, y la mayoría de las personas parecieron satisfechas: alrededor de 8 de cada 10 participantes informaron estar contentos. En los Países Bajos, las cosas fueron aún más interesantes con el experimento H2Stad, donde se pasó completamente a 1.500 hogares a calderas alimentadas con hidrógeno. Los resultados también fueron bastante impresionantes, ya que redujeron las emisiones relacionadas con la calefacción en casi un 90 % en comparación con los sistemas convencionales de gas natural. Aunque estos programas piloto demuestran que el hidrógeno puede funcionar a mayor escala, existen algunas preocupaciones dignas de mención. Pruebas sobre materiales sugieren que si las tuberías transportan hidrógeno puro de forma continua, su vida útil podría reducirse entre un 12 % y un 18 %. No es una noticia ideal, pero aún así manejable con una planificación adecuada.

Preocupaciones sobre eficiencia y seguridad en la calefacción basada en hidrógeno

Las calderas de hidrógeno funcionan con un rendimiento del 85 al 90 por ciento, lo cual es en realidad un poco más bajo que el del gas natural, que ronda el 94 por ciento. Lo peculiar del hidrógeno es que se enciende mucho más fácilmente, ya que solo necesita 0,02 mJ frente a los 0,3 mJ del metano. Esto significa que necesitamos sistemas de detección de fugas muy eficaces, capaces de detectar incluso cantidades mínimas, tal vez tan bajas como una concentración del 1 por ciento. Según algunos estudios recientes de DNV en 2023, el hidrógeno tiende a filtrarse a través de tuberías de polietileno aproximadamente 30 veces más rápido que el gas convencional. Debido a este problema, es probable que la mayoría de las redes de tuberías antiguas necesiten en algún momento la instalación de revestimientos compuestos especiales. Y tampoco debemos olvidar una ventilación adecuada. Cuando los edificios se reforman correctamente, esta medida sencilla puede reducir los riesgos de explosión en casi un 92 por ciento.

Hidrógeno en el transporte: de las celdas de combustible a la aviación

Vehículos de pila de combustible de hidrógeno como alternativa de transporte limpio

Los vehículos eléctricos de pila de combustible generan energía mediante reacciones químicas dentro de la celda, y básicamente solo emiten vapor de agua como escape. La gran ventaja es que el repostaje toma menos de cinco minutos, y estos vehículos pueden recorrer más de 500 kilómetros antes de necesitar repostar nuevamente. Para usos como camiones de larga distancia y buques de carga, esto los hace mejores que las baterías convencionales, ya que almacenan más energía en espacios más pequeños sin sacrificar demasiado espacio de carga. Empresas como Toyota y Hyundai han comenzado recientemente a invertir fuertemente en tecnología de hidrógeno para sus necesidades de transporte pesado.

Adopción de autobuses y camiones de hidrógeno en California y Corea del Sur

El proyecto H2 Frontier de California ha desplegado más de 50 autobuses impulsados por hidrógeno en 12 distritos de tránsito desde 2023, reduciendo las emisiones en 1.200 toneladas anuales. En Corea del Sur, el Puerto de Hidrógeno de Ulsan opera con 120 camiones de pila de combustible para el transporte de contenedores, apoyados por electrólisis alimentadas por energía eólica marina cercana.

Trenes de hidrógeno en Alemania y Francia

Los trenes Coradia iLint de Alemania completaron 220.000 kilómetros libres de emisiones en 2023. La línea TER Occitanie de Francia sustituyó 15 unidades diésel por trenes híbridos de hidrógeno, que utilizan celdas de combustible montadas en el techo para ampliar el alcance en rutas no electrificadas.

Aplicaciones emergentes en los sectores marítimo y aeronáutico

Los operadores marítimos están utilizando amoníaco derivado del hidrógeno para alimentar cuatro buques de carga en el Mar del Norte, reduciendo las emisiones de CO2 en un 85 % en comparación con el fuelóleo pesado. En aviación, se espera que aviones regionales sin emisiones propulsados por combustión de hidrógeno líquido entren en servicio para 2035, con prototipos actuales que ya han completado vuelos de prueba de 750 km.

Desafíos de infraestructura para las redes de repostaje de hidrógeno

A nivel mundial existen menos de 1.000 estaciones de repostaje de hidrógeno, de las cuales el 42 % se encuentran en Europa y el 38 % en Asia. El almacenamiento a alta presión sigue siendo costoso —1.800 dólares por kg en 2024— y la fragilidad de los materiales en las tuberías plantea desafíos para la distribución a gran escala.

Producción de Hidrógeno Verde: Avanzando en Métodos Sostenibles

Hidrógeno gris vs. azul vs. verde: Compromisos ambientales y económicos

Hay varias formas diferentes de producir hidrógeno, y cada una tiene su propio impacto ambiental y precio. El hidrógeno gris proviene de la reforma de metano con vapor (SMR) y libera entre 9 y 12 kilogramos de CO2 por cada kilogramo de hidrógeno producido. ¿El costo? Alrededor de $1.50 a $2.80 por kilogramo según la Agencia Internacional de Energía en 2023. Luego está el hidrógeno azul, que básicamente utiliza el mismo proceso SMR pero añade tecnología de captura de carbono. Esto reduce las emisiones en aproximadamente un 80 a 90 por ciento, aunque encarece el proceso a unos $2.50 a $4 por kilogramo. Y finalmente tenemos el hidrógeno verde, creado cuando la electricidad proveniente de fuentes renovables alimenta equipos de electrólisis. Este método no libera emisiones directas y actualmente tiene un costo entre $3 y $5 por kilogramo. Eso en realidad ha bajado bastante respecto a lo que solía ser hace solo un par de años, cuando los precios estaban alrededor de $4 a $6 por kilogramo.

Avances en electrólisis que impulsan la producción de energía mediante hidrógeno verde

Los electrolizadores de membrana de intercambio protónico (PEM) ahora alcanzan una eficiencia del 75–83 %, frente al 60 % en 2010. Los sistemas alcalinos operan con una eficiencia del 65–70 % y tienen una vida útil superior a las 60.000 horas. Los electrolizadores de óxido sólido (SOEC), que funcionan a temperaturas de 700–900 °C, han alcanzado una eficiencia del 85 % en pruebas, lo que muestra un gran potencial para la producción industrial de hidrógeno verde (ScienceDirect 2024).

Tendencias de costos y escalabilidad de la producción de hidrógeno impulsada por energías renovables

El costo de producir hidrógeno mediante electrólisis alimentada por energía solar ha caído drásticamente, alrededor del 62 % desde 2015. Ahora estamos viendo precios entre 3 y 4,50 dólares por kilogramo en 2024. Allá abajo en Australia, parques eólicos están produciendo más de 1.000 toneladas de hidrógeno verde cada año a un precio de aproximadamente 3,80 dólares por kg. Mientras tanto, en China, instalaciones a gran escala de electrolizadores están haciendo que la producción sea más barata cada año, reduciendo los costos en aproximadamente un 18 % anualmente. De cara al futuro, BloombergNEF predice que el hidrógeno verde podría alcanzar apenas 1,50 dólares por kg para 2030. Esto ocurriría a medida que las fuentes de energía renovable continúen su rápida expansión, esperándose que representen casi el 85 % de toda la generación eléctrica nueva en el mundo.

Preguntas frecuentes

¿Cuáles son los principales métodos para generar electricidad utilizando hidrógeno? Los principales métodos son las celdas de combustible y las turbinas de combustión adaptadas para hidrógeno.
¿Cómo contribuye el hidrógeno a la estabilidad de la red eléctrica? El hidrógeno almacena el exceso de energía renovable, liberándola durante picos de demanda para garantizar la estabilidad de la red.
¿Cuáles son algunos desafíos actuales en el uso del hidrógeno para generación eléctrica básica? Los altos costos, las pérdidas de eficiencia durante la conversión de energía y las limitaciones de infraestructura son desafíos importantes.
¿Cómo se utiliza el hidrógeno en los sistemas de calefacción? El hidrógeno puede sustituir a los combustibles fósiles en sistemas industriales y residenciales de calefacción, ofreciendo una alternativa sostenible.
¿Qué avances se han realizado en la producción de hidrógeno verde? Los avances en la tecnología de electrólisis y las instalaciones a gran escala han reducido significativamente los costos y aumentado la eficiencia.