Generación de hidrógeno
Mundialmente, alrededor del 96% del hidrógeno se genera a partir de combustibles fósiles, tales como gas natural (48%), petróleo (30%) y carbón (18%), o subproducto de procesos industriales. El hidrógeno también puede ser producido por otros métodos como la electrólisis del agua, sin embargo, representa apenas un 4% de la producción mundial.
La técnica más utilizada para producir hidrógeno a partir del gas natural es el reformado. El proceso de combustión o gasificación de carbón es otra vía de producción, dada la enorme disponibilidad de recursos de carbón, no obstante, presenta la desventaja de producir más del doble de emisiones de CO2, emisiones que han de secuestrarse para darle viabilidad ambiental a esta alternativa.
En el siguiente esquema se pueden observar los diferentes procesos de producción de hidrógeno, partiendo de recursos no renovables y renovables, así como, la correlación entre los diferentes procesos. Cabe resaltar que la gasificación de biomasa se encuentra en etapa de proyectos demostrativos y de investigación.
Figura 1. Principales métodos alternativos de producción de hidrógeno a partir de diferentes fuentes de energía
· Costos de producción
Los costos de producción del hidrógeno son muy variables y van a depender, entre otros, de la fuente de producción.
En el caso de la producción de hidrógeno por electrólisis se emplean energías limpias (energía solar y eólica) con la finalidad de reducir costos. El Laboratorio Nacional de Energía Renovable de los Estados Unidos, estudió el costo de generar hidrógeno por el método de valor estandarizado. Se analizaron tres escenarios, obteniéndose un costo de $19.01/kg de hidrógeno para producción a pequeña escala (~20 kg hidrógeno/ día); $8.09/ kg de hidrógeno a mediana escala (~100 kg hidrógeno/día) y $4.15/ kg a gran escala (~1000 kg hidrógeno/día). La influencia del costo de electricidad en la generación a gran escala es el factor de mayor importancia, representando un 58% del costo final; en el caso de mediana y pequeña escala el porcentaje de significancia de este costo es de un 35% y 17% respectivamente, siendo el costo de capital el factor más relevante con un 55% y 73%.
· Usos de hidrógeno
El hidrógeno es ampliamente utilizado en diferentes industrias, por ejemplo en la química es empleado para producir amoníaco, utilizado en fertilizantes agrícolas (elaborado mediante el proceso de Haber), así como en la producción de ciclo hexano y metanol, que son intermediarios en la generación de plásticos y productos farmacéuticos. Es además un subproducto de los procesos de refinación de petróleo y se aprovecha para romper las cadenas de hidrocarburos (hydrocracking) así como para eliminar el azufre de los combustibles.
En la hidrogenación catalítica de aceites vegetales líquidos insaturados, se consumen grandes cantidades de hidrógeno para obtener grasas sólidas. También, se utiliza la hidrogenación en la manufactura de productos químicos orgánicos.
En la industria del vidrio, el hidrógeno se utiliza como atmósfera protectora para fabricar láminas de vidrio plano, mientras que en la industria electrónica se usa como gas de lavado durante la fabricación de chips de silicio, también se emplea como refrigerante en ciertas tecnologías de turbinas.
El mayor usuario de hidrógeno es la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA) que lo emplea como combustible para cohetes desde la década de los 50s. La NASA fue una de las primeras en utilizar celdas de combustible para alimentar los sistemas eléctricos de las naves espaciales.
· Usos de hidrógeno en el transporte
En tiempos relativamente recientes, un gran número de empresas con un interés común en investigar y desarrollar el hidrógeno como fuente alterna de energía, conformó el Consejo del Hidrógeno. Dentro de estas empresas se pueden identificar algunas de gran renombre en diferentes sectores, tales como el automotriz, el petrolero y el sector de celdas de combustibles.
Las metas establecidas por el Consejo para lograr una penetración significativa del hidrógeno en el sector energía son a largo plazo y están definidas para el 2030 y el 2050, e incluyen aumentar la presencia del hidrógeno como fuente energética en el transporte público, transporte de carga, trenes, barcos y en algunos casos transporte particular de personas. Dado que la implementación de sistemas basados en hidrógeno no es simple y a nivel mundial no se busca una descarbonización completa de la economía, las metas se establecen con horizonte a largo plazo.
En la actualidad, algunos países utilizan autobuses de hidrógeno, por ejemplo, en el 2018 Estados Unidos contaba con 25 autobuses, proyectando aumentar su flota a 35. China por su parte cuenta con 23 autobuses, pero proyecta un alto crecimiento al tener como meta llegar a contar con 300 en un mediano plazo. En la Figura N°2 se muestra la situación actual y las proyecciones a nivel mundial.
Un punto crítico para sostener flotas vehiculares de hidrógeno es la disponibilidad de estaciones de abastecimiento. Para julio del 2018 Japón, Estados Unidos y Alemania reportan de 50 a 100 de ellas, Francia, Reino Unido, Corea del Sur y Dinamarca de 10 a 20, mientras que China, Noruega y España, de 5 a 10, y Canadá, Suecia, Italia y Costa Rica (entre otros) una estación de abastecimiento. Esto representa una limitación para la autonomía de los vehículos, dado que no pueden alejarse más allá de lo que su autonomía les permita antes de verse en la necesidad de cargar hidrógeno nuevamente.
En términos de costos, las aplicaciones vehiculares aún son restrictivas, como se muestra la Tabla N°1, elaborada por el Departamento de Transporte de los Estados Unidos. Se puede observar el costo relativo de una unidad impulsada por hidrógeno así como el costo durante su ciclo de vida, evidenciándose que es 3 veces mayor que el de una unidad impulsada por diésel, lo que podría desestimular a un empresario a cambiar sus unidades.
En la Figura N°4, se muestra el potencial de aplicación del hidrógeno en diferentes áreas, tales como la generación eléctrica, aplicaciones industriales, habitacionales y otras. En el caso del transporte, se espera que para el 2050 el mayor potencial se desarrolle en el transporte público, de carga y buques, con una presencia relativa en el mercado de entre el 20 y 50%, dependiendo del tipo de transporte. También se observa que otros medios de transporte, como los vehículos familiares o privados, no proyectan gran presencia relativa (menor a 10%) para el 2050. Lo anterior se explica con el hecho de que otras fuentes energéticas, como las baterías y los sistemas híbridos, podrían resultar más viables para dichas aplicaciones en términos económicos, energéticos y ambientales.
En general, puede concluirse que a nivel mundial el desarrollo y el uso del hidrógeno como opción energética no se encuentra aún consolidada. Todavía restan algunas décadas para obtener una penetración significante del hidrógeno en el sector energía en países avanzados. Igualmente es un hecho que el aprovisionamiento de hidrógeno se basará no solo en fuentes renovables, sino también en energía nuclear y combustibles fósiles, complementado con prácticas de captura de carbono para hacerlas viables ambientalmente.
· Restricciones de uso
Como se mencionó anteriormente, el hidrógeno puede ser encontrado en la naturaleza como compuesto en diferentes sustancias: hidrocarburos o agua y para obtenerlo como elemento puro es necesario aplicar energía. Por su bajo peso molecular y al presentarse en forma de gas, dadas las condiciones ambientales y atmosféricas de nuestro planeta, tenderá a elevarse fuera de la atmósfera terrestre.
Sin embargo, bajo condiciones propiciadas por procesos industriales, tenderá a mezclarse con otras sustancias, obteniéndose en condiciones controladas los resultados deseados; sin embargo, bajo otras condiciones puede producir efectos no deseados, lo que conlleva a la necesidad de establecer procedimientos y cuidados para su manejo y aprovechamiento.
Actualmente, Costa Rica no cuenta con la normativa técnica necesaria para certificar la calidad y la seguridad a lo largo de los procesos de producción, almacenaje y distribución, entre otros, del hidrógeno como vector energético. Por ello, es necesario desarrollar las normas técnicas, preferiblemente en el marco del Sistema Nacional de la Calidad y por medio del Instituto de Normas Técnicas de Costa Rica (INTECO), para garantizar a los usuarios la calidad y la seguridad en toda la cadena. Posteriormente, las normas deberán hacerse de uso obligatorio en todo el país.
A continuación, se presentan algunas restricciones y cuidados que se deben considerar al utilizar hidrógeno.
- Fragilización de los metales: Bajo condiciones de alta temperatura, como en la cámara de combustión de un motor o en algunos procesos de soldadura, muchos metales absorben hidrógeno, provocando su fragilización e induciendo fallas prematuras en los equipos no diseñados para su uso.
- Efectos del hidrógeno sobre la salud: altas concentraciones de este gas pueden causar un ambiente deficiente de oxígeno. Por ejemplo, si se producen fugas de un contenedor de hidrógeno, se alcanza rápidamente una concentración peligrosa. Los individuos que respiran esta atmósfera pueden experimentar síntomas que incluyen dolores de cabeza, pitidos en los oídos, mareos, somnolencia, inconsciencia, náuseas, vómitos y depresión de todos los sentidos. La piel de una víctima puede presentar una coloración azul. Bajo algunas circunstancias se puede producir la muerte. Las enfermedades respiratorias pre-existentes pueden ser agravadas por la sobre exposición al hidrógeno.
- Peligros físicos: el hidrógeno por ser más ligero, se mezcla bien con el aire y forma fácilmente mezclas explosivas.
- Peligros químicos: el calentamiento puede provocar combustión violenta o explosión. Reacciona violentamente con el aire, el oxígeno, halógenos y oxidantes fuertes, provocando riesgo de incendio y explosión. Los catalizadores metálicos, tales como el platino y el níquel, aumentan enormemente estas reacciones.
· Requerimientos para la distribución de hidrógeno para transporte
En general puede decirse que existen tres sistemas de distribución de hidrógeno:
1. Estaciones que distribuyen hidrógeno recibido en forma gaseosa desde una planta central de producción.
2. Estaciones que distribuyen hidrógeno recibido en forma líquida desde una planta central de producción.
3. Estaciones que distribuyen hidrógeno generado en sitio.
De acuerdo a la estimación de costos de California Fuel Cell Partnership, el costo de los 3 tipos de estaciones depende de la complejidad de las mismas, siendo la estación tipo 1 la menos costosa con un valor de $2 millones de dólares, incluyendo el equipo, diseño, construcción y certificación.
Las 3 estaciones modelo también presentan una producción variable, la estación tipo 1 produciría 120 kilogramos por día, la tipo 2 producirá 350 kilogramos por día y la tipo 3 producirá 120 kilogramos por día.
En el caso de Costa Rica, partiendo de un escenario donde se cuenta con la normativa técnica necesaria para la construcción de plantas de producción y estaciones de servicio y teniendo en consideración la extensión del territorio nacional, probablemente lo más favorable es construir varias plantas en puntos estratégicos para la producción y suministro de hidrógeno hacia estaciones de servicio para la venta al detalle.
Sin embargo, aún sin contabilizar el costo de la infraestructura de producción y almacenaje de una planta de producción de hidrógeno, el costo de construcción de una estación de servicio es sumamente elevado. Usando como referencia datos del Departamento de Energía de los Estados Unidos, para una estación de servicio tipo 1, con una capacidad diaria de 200 kilogramos por día, el costo estimado del hidrógeno sería de $7.82/kg, muy superior a los cerca de $0.60/kg del hidrógeno obtenido a partir de gas natural.